実用ロボット開発のための ROS プログラミングサンプルページ本定価判型, 以下 URL から覧いけます. サンプルペジ内容, 初版 1 刷発行時もです.

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実用ロボット開発のための

ROS プログラミング

サンプルページ

本定価判型，以下 URL から覧いけます． http://www.morikita.co.jp/books/mid/067581 ※ サンプルペジ内容，初版 1 刷発行時もです．

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まえがき

ROSという名を耳にするようになって，それほど長くありません．しかし，またたく間にROS

はロボット研究の業界地図を塗り替えてしまいました．2018年現在，世界中の多くのロボット研

究室がROSを利用し，ROSにライブラリを提供し，ROSに依存するようになっています．さ

まざまなロボット競技会に出場するロボットがROSを搭載し，素晴らしい成果を挙げています．

ROSは煩雑で大量のロボットシステムを統括，可視化し，素早いデバッグを可能にするための強

力なフレームワークです．また同時に，世界中の研究者から提供される最新の成果を閉じ込めたパッケージ群を，すぐに試すことができる環境も提供します．

ROSの情報の多くは，インターネットページの「ROS Wiki」†1を調べれば知ることができます．しかし，その記述は英語で専門用語が多く，ロボットの初心者が読み下すには敷居が高いのが現実です．日本語の翻訳のページ†2も用意されていてとても助かるのですが，腰を据えて取り組む意欲がなければ，なかなか奥まで入っていけないかもしれません．ROSに興味をもつ多くの人たちは，「自分のロボットをつくりたい」という夢をもっているかもしれませんが，インターネットの情報がそこまで導いてくれるとは限りません．そこで本書では，まず第1章で「ROSでどんなことが実践できるのか」を概観して，興味をもってもらいたいと思います．興味が出たところで，第2章では「ROSを自分のパソコンにインストールする手続き」を紹介します．そして，第3章と第4章では「ROSの作法」について紹介します．第5章から第13章は，ロボットの具体的な機能を実装するための方法を，実践的な例を示しながら説明していきます．そこでは，ロボットのデバイスを使いこなすための具体例を通じて，ROSの基本的な動作を体験します．また，実際に自分のロボットを設計してシミュレータに登場させる方法，それを動作させる方法を体験します．自動で走行するための方法なども第9章に収録しました．第5章から第13章は，読者が興味をもったところから読み始めることができます．また，多くのユーザがいるMATLABR をROSと連動させる方法も第14章に掲載しています．現在のROSはLinuxで動作しますが，どうしてもWindows環境でROSを利用したいという読者もいることでしょう．この章では，そういった読者がWindows環境とROSを繋ぐ一

つの解決策を解説します．そして第15章では，実際のロボットを題材に，ROSで構成する複雑

なシステムを連動させる方法を解説しました．この本の構成をiiiページに示しました．

†1_{http://wiki.ros.org/} †2_{http://wiki.ros.org/ja}

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ii まえがき本書は，企業で産業ロボットを利用する技術者やロボットメーカの技術者，大学の研究室や学校のロボットサークルに所属する学生などを対象にしています．本書を手に取ることで，「自分でも移動ロボットがつくれる」ことをわかってほしいと思っています．本書は多くの具体的な内容を含んでいるので，インターネットのページからソースコードをコピーして，「へー，動くんだ」と感じるだけだった方々が，「自分のロボットをつくったよ！」という達成感を得るまでの飛躍をお手伝いできればと考えています．ロボット工学に新たな創造をもたらすためには，過去の知見を追試し，再構築する苦労が必要だと考える人がいるかもしれません．しかし，ROSによって世界中の最先端技術を簡単に取り込むことができるようになれば，独創的・創造的なロボット技術が加速度的に誕生するようになるでしょう．平成30年7月吉日著者ら記す

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まえがき iii

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iv

第1章 ROSとは何か？ 1 1.1 ROSの広がり p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 1 1.2 ライセンス p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 4 1.3 ROSと連動するソフトウェア p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 4 1.4 ROS2 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 11 第2章 ROSの準備 13 2.1 ROSの実行環境 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 13 2.1.1 ROSをインストールできるOS p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 13 2.1.2 Ubuntuのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 13 2.2 ROSのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 14 2.3 ウェブ情報の調べ方 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 17 第3章 ROSの仕組み 21 3.1 ROSのファイルシステム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 21 3.1.1 ワークスペースの作成と設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 21 3.1.2 パッケージ（package）p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 22 3.2 ROSのデータ通信 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 24 3.2.1 ノード（node）p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 24 3.2.2 トピック（topic） p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 25 3.2.3 メッセージ（message） p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 25 3.2.4 サービス（service）p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 26 3.2.5 ROSマスタ（ROS master） p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 27 3.2.6 パラメータサーバ（parameter server）p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 27 3.2.7 名前空間（namespace）p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 27 3.2.8 リマップ（remap） p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 28 3.2.9 通信の仕組みのまとめ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 28 3.3 ROSを操作するコマンドラインツール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 29 3.3.1 rosbashコマンド p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 30

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目次 v 3.3.2 起動コマンド p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 31 3.3.3 情報取得コマンド p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 33 3.4 ROS通信の実行例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 38 3.4.1 サンプルプログラム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 38 3.4.2 launchファイルによる起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 42 3.5 Gitの導入とサンプルプログラムの取得 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 45 第4章可視化とデバッグ 47 4.1 ROSの可視化とデバッグのツール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 47 4.1.1 ノードの状態を可視化する「rqt graph」 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 48 4.1.2 メッセージのグラフをプロットする「rqt plot」p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 48 4.1.3 三次元データを可視化する「RViz」p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 50 4.1.4 ROSメッセージを記録して再生する「rosbag」p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 52 4.2 ROSプログラムのデバッグ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 55 第5章センサとアクチュエータ 57 5.1 USBカメラ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 57 5.1.1 ドライバのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 57 5.1.2 ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 58 5.1.3 ノードのパラメータ設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 59 5.2 RGB-Dカメラ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 60 5.2.1 ドライバのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 60 5.2.2 ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 61 5.3 LiDAR p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 62 5.3.1 ドライバのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 62 5.3.2 ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 63 5.4 ジョイパッド p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 64 5.4.1 ドライバのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 64 5.4.2 ジョイパッドでシミュレーションのロボットを動かす p p p p p p p p p p p p p p p p p 65 5.4.3 ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 66 5.4.4 RVizによるセンサ情報の可視化 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 67 5.5 サーボモータの制御 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 68 5.5.1 ドライバのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 68 5.5.2 サーボモータをパソコンに接続する p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 68 5.5.3 パン・チルトユニットの制御 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 69 5.5.4 ジョイパッドでサーボモータを動かす p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 72 5.5.5 ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 73

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vi 目次第6章 3Dモデリングと制御シミュレーション 75 6.1 ロボットの三次元設計 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 75 6.1.1 ROSで使う3D CADデータ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 75 6.1.2 COLLADAファイルをつくる p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 76 6.1.3 COLLADAファイルを組み合わせてエクスポート p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 80 6.1.4 URDFとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 81 6.1.5 URDFの記述 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 82 6.1.6 簡単な例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 83 6.1.7 COLLADAを用いた簡単な例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 84 6.1.8 Gazeboとの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 85 6.2 GazeboとROS p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 89 6.2.1 hardware simとros controlを使うと何がよいのか p p p p p p p p p p p p p p p p p p 89 6.2.2 ros controlの詳細 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 94 6.2.3 基本ソフトウェア構成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 95 6.2.4 HardwareInterface p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 95 6.3 tfによる座標変換 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 104 6.3.1 tfとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 104 6.3.2 tfの動作概念 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 105 6.3.3 位置と方向のデータ形式 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 106 6.3.4 tfのブロードキャスタ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 106 6.3.5 tfのリスナ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 109 6.3.6 時間管理 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 110 6.3.7 tf staticとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 112 6.3.8 フレームの可視化 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 112 第7章コンピュータビジョン 115 7.1 ROSでOpenCVを使うための基本的な設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 115 7.2 OpenCVの利用 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 117 7.2.1 OpenCVにおける画像のデータ構造 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 117 7.2.2 画像のパブリッシュとサブスクライブ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 120 7.2.3 画像への描画とイベント検出 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 123 7.3 画像処理 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 126 7.3.1 エッジ検出 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 126 7.3.2 キーポイントの抽出と照合 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 130 7.3.3 機械学習 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 136 7.3.4 画像と空間 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 140

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目次 vii 第8章ポイントクラウド 143 8.1 PCLとROSの連携の概要 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 143 8.1.1 PCLによる処理の基本 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 143 8.1.2 ROS API p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 144 8.2 サンプルパッケージの設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 145 8.2.1 インストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 145 8.2.2 パッケージの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 146 8.2.3 CMakeLists.txtの編集 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 146 8.3 サンプル1：ポイントクラウドのマッチング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 147 8.3.1 ポイントクラウドの作成と保存 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 147 8.3.2 ポイントクラウドの読み込みとマッチング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 152 8.4 サンプル2：ポイントクラウドのクラスタリング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 160 8.4.1 サンプル2のノードでの共通事項 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 161 8.4.2 フィルタリング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 164 8.4.3 ダウンサンプリング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 167 8.4.4 ポイントクラウドからの平面セグメンテーション p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 169 8.4.5 クラスタリング p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 174 第9章ナビゲーション 177 9.1 自律走行のためのロボット設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 177 9.1.1 ロボットの構成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 178 9.1.2 センサ設置位置の配信 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 178 9.1.3 センサデータの取得と配信 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 179 9.1.4 車体コントローラの入出力 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 180 9.1.5 ジョイパッドによる速度指令 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 180 9.2 slam gmappingメタパッケージの設定と実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 181 9.2.1 手動走行の各種ノードの起動 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 182 9.2.2 bagファイルへのセンサデータの記録 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 183 9.2.3 bagファイルの再生と地図生成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 183 9.2.4 地図の保存 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 185 9.3 navigationメタパッケージの設定と実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 185 9.3.1 設定ファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 186 9.3.2 起動ファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 189 9.3.3 自律走行の実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 191 9.4 navigationとslam gmappingのパッケージ構成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 193 9.5 自己位置推定，SLAMのアルゴリズム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 194 9.6 経路・動作計画のアルゴリズム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 196

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viii 目次

9.7 navigation，slam gmappingができないこと p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 198 9.8 自律移動ロボットの開発例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 199 第10章ロボットの行動監視と制御 203 10.1 中断可能なサーバプログラムの構成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 203 10.1.1 actionlibとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 203 10.1.2 SimpleActionClient/Server p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 205 10.1.3 action定義ファイル p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 205 10.2 サンプルプログラム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 206 10.2.1 actionlibサーバ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 206 10.2.2 actionlibクライアント p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 210 10.3 状態遷移を用いたロボットの動作記述 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 212 10.3.1 smachによる状態遷移ベースのプログラムの自動実行 p p p p p p p p p p p p p p p 212 10.3.2 smachのサンプルプログラム p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 213 10.3.3 smachを使ってロボットを動かす p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 216 第11章プラグインの開発 219 11.1 pluginlibとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 219 11.2 pluginlibの活用例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 220 11.3 本章で作成するpluginlib arrayutilの概要 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 221 11.4 pluginlib arrayutilの開発 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 222 11.4.1 pluginlib arrayutilプラグインパッケージの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 222 11.4.2 pluginlibのベースクラスArrayUtilの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 223 11.4.3 pluginlibのサブクラスの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 225 11.4.4 プラグインのリストの確認 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 228 11.5 pluginlib arrayutil clientの開発 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 229 11.5.1 pluginlib arrayutil clientクライアントパッケージの作成 p p p p p p p p p p p 229 11.5.2 PluginlibArrayutilClientの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 230 11.5.3 client nodeの実装ファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 233 11.5.4 client nodeの動作確認 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 234 第12章テストコードの作成 237 12.1 rostestとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 237 12.2 本章で作成するテストコードの概要 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 238 12.3 C++のgtestを利用したテストコードの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 238 12.3.1 gtestによる単体テストの実装ファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 238 12.3.2 rostestファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 242

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目次 ix

12.3.3 package.xmlの編集 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 242 12.3.4 CMakeLists.txtの編集 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 243 12.3.5 テストの実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 243 12.4 Pythonのunittestを利用したテストコードの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 244 12.4.1 arrayutil pythonパッケージのPythonスクリプトの作成 p p p p p p p p p p p 245 12.4.2 unittestによる単体テストのスクリプトの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 246 12.4.3 rostestファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 248 12.4.4 package.xmlの編集 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 249 12.4.5 CMakeLists.txtの編集 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 249 12.4.6 テストの実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 249 第13章 Travis CIとの連携 251 13.1 Travis CIとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 251 13.2 industrial ciとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 252 13.3 pluginlib arrayutil ciパッケージとindustrial ciの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p 253 13.3.1 ROSパッケージの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 253 13.3.2 GitHubとTravis CIの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 253 13.3.3 .travis.ymlファイルの作成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 255 13.3.4 Travis CIでのテスト実行および結果の確認 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 257 13.4 industrial ciのオプション機能 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 259 13.4.1 wstoolの設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 260 13.4.2 テスト前後に処理を実行させたい場合の設定 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 262 13.5 ローカルでのindustrial ciの利用 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 264 13.5.1 Dockerのインストール p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 264 13.5.2 industrial ciの実行 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 265 第14章 MATLABとの統合 267 14.1 MATLABとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 267 14.2 Robotics System Toolboxとは？ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 267 14.3 Windows上でのMATLABとROSの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 268 14.3.1 仮想マシンのセットアップ p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 268 14.3.2 MATLABからROSへの接続 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 270 14.4 Simulinkとの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 274 14.4.1 ROSとの連携 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 274 14.4.2 サンプルSimulinkモデルの適用 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 276 14.4.3 Simulinkからのコード生成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 278

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x 目次第15章システム統合（ロボットを使ってみよう） 279 15.1 ロボットの構成 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 279 15.2 大規模なシステム構築例 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 280 15.3 Tips 1: 複数のパソコンに跨るシステムの管理 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 281 15.3.1 ROS–ROSのシステム統合 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 281 15.3.2 ROS – 非ROSのシステム統合 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 282 15.4 Tips 2: デバイス・フレームワークの追加 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 283 15.5 Tips 3: 演算負荷の管理 p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p 283 索引 285

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1

第

1

章

ROS

とは何か？

ロボットの開発を始めるにあたって，「どのようなミドルウェアを利用するのか」を決断するのは，とても重要な作業です．もし，ROSを導入するかどうか迷っているのなら，この章を読んでみてください．どのようにしてROSが誕生して世界中に広まったのか，これからどのように発展していくのか，どのようなことができるのか，ROSユーザは何を望んでいるのかなどを知ることができるでしょう．そして，ROSを取り巻くロボット開発者がつくり上げてきたコミュニティについて知ることができます．ROSは数多くのソフトウェア開発者を巻き込んできました．さまざまなソフトウェアとストレスなく連動することができます．さらに，ROSは無料で入手できるのに，これをもとにして開発したソフトウェアを販売することが可能です．産業領域で活躍するロボットエンジニアも，ROSのポテンシャルに驚かされることでしょう．

1.1 ROS の広がり

ROS（Robot Operating System）は，ロボット開発に必要なソフトウェアモジュールを世界

中で共有し，使いやすく提供するためのオープンソースソフトウェア（OSS）です．「OS」と名

前が付いているため誤解されがちですが，本来これはミドルウェアとよぶべきものです†1．

ROSの開発は2007年にスタンフォード大学で始まり，その後はWillow Garage社が中心となって開発を続けてきました．ROSという名称はWillow Garage社で生まれました．現在は，同社出身者が設立したOpen Source Robotics Foundation（OSRF）が主体となって開発を行っています．開発状況はGitHub†2で公開されており，世界中で5万人以上がそれを閲覧し，利用していると推測されます．動力学シミュレータやセンサ情報の可視化ツール，自動地図生成モジュー

ルなど，数千ものパッケージ†3が公開されており，ROSを利用すれば，それらの機能を即座に実

行することが可能です．

2015年に開催されたロボットの競技会「DARPA Robotics Challenge（DRC）」では，出場

†1_{ミドルウェアとは，オペレーティングシステム（}_OS_{）とアプリケーションソフトの中間的な動作をするもので，} 共通して利用される機能を種々のソフトウェアに提供するものです．ロボット用のミドルウェアで有名なものとしてはOpenRTMなどがあります．

†2_Git_{（ギット）は，ソフトウェアのバージョン管理を行うためのツールです．}_GitHub_{（ギットハブ）は，}_Git_を用いた開発をサポートしてくれる機能を備えているネットワーク上のサービスです．

(15)

2 第1章 ROSとは何か？

23チーム中18チームがROSを利用しました．ROSはもはや，ロボットの研究開発になくてはならない道具になったことが垣間見られた出来事でした．

ロボット向けソフトウェアはほかにも存在しますが，公開されているパッケージの数や種類，品

質などの点でROSは突出しています．ROSのパッケージでモデルが提供されているロボッ

トの種類が多いことにも特長があります．たとえば，Rethink Robotics社の「Baxter」や，

Ascending Technologies社のドローン「Hummingbird」，国際宇宙ステーションで稼働中の

NASAの「Robonaut 2」，川田工業の「NEXTAGE OPEN」，トヨタ自動車の「HSR」，ソフ

トバンクロボティクスの「Pepper」などがあります．その数と種類はどんどん増えています．

さらに，研究開発用途で出発したROSですが，最近では産業用ロボットへの適用も急速に拡大

しています．Southwest Research Institute，安川電機の米国法人，Willow Garage社などが共同で，ROSを産業用ロボットで利用するためのOSSプロジェクト「ROS–Industrial（ROS–I）」を2012年に開始しています．すでに，安川電機，ファナック，ABB社，KUKA社，Universal Robots社などの産業用ロボットがROS–Iに対応しています．ほかにも，大手企業がOSRFへの出資を表明するなど，その利活用の広がりは続いています．

ROS

の構成要素「ロボット」といっても，その種類は多岐にわたります．たとえば，車輪型移動ロボット，歩行ロボット，マニピュレータ，ドローンのような飛翔ロボット，自動運転車，水中ロボット，ヒューマノイドなどがあり，それらに求められる能力や構成は千差万別です．それらを実際に動作させ，継続的にメンテナンスし，改良および発展させるためには，膨大なソフトウェア開発と管理が必要になります．通常のロボット開発では，数百から数千の関数群を管理しながら進行しなければなりません．さらに，個別の機能の洗練だけではなく，ソフトウェアとハードウェアの両面のメンテナンス性や拡張性に配慮しながら開発を行うことは，大変な作業であると同時に，継続性に問題を生じるケースが多いのも実情です．大学の研究室で開発しているロボットなどでは，そのソースコードを先輩から引き継ぐだけでも至難の業です． ROSは，それらの作業の効率を劇的に向上させることが可能です．それを可能にするROSの機能の構成要素は，大きく四つに分類できます． 1. 通信ライブラリ 2. 開発・操作ツール 3. 高機能ライブラリ 4. エコシステム（開発コミュニティ）以下では，これらの特長を順に説明していきましょう． ROSの通信ライブラリはもっとも基盤となる部分であり，HTTPをもとにした「XML RPC」で提供されています．用途に応じて，多対多や一対多などの通信形態を選択できます．ROSはこの通信ライブラリの明確さと多機能性によって，モジュールの独立性を保ちつつ，迅速なロボットシステムの構築を可能にします．ただし，このような通信の仕組みは従来から「publish/subscribe」

(16)

1

1.1 ROSの広がり 3 型とよばれて存在するものであり，ほかのロボット向けミドルウェアと比べて，ROSが特段勝っているわけではありません．実は，ROSの本質はもっと別の点にあります．開発・操作ツールは，ROSの人気を支える最大の機能です．可視化ツール（ビューア）の「RViz」や三次元動力学シミュレータの「Gazebo」，各種の設定，ビルド，リリース，起動，監視，ログ取得などの，ロボット開発工程を支える多様なツールが揃っています．図1-1には，「RViz」を利用して産業用ロボットのさまざまな処理を可視化した例を示しています．とくに近年，格段に充実してきたのがソースコードパッケージ管理とリリースの仕組みです．ソフトウェアプロジェクトの開始・運用における面倒な設定について統一的な手法を提供することで，ROSによる開発のハードルが大幅に下がりました．具体的には，パッケージ間の依存関係を自動的に解決できる「rosdep」，複数のパッケージを一括してコンパイルできる「catkin」，バイナリパッケージ生成作業の多くを自動化する「bloom」，手元のソースコード群をネット上で管理される最新版に一括更新する「wstool」といったツールが非常に便利です． ROSには，ロボットを動作させるソフトウェアの基本機能の大半が収められています．移動ロボットによる自己位置推定と地図生成を行う機能を利用すれば，簡単なプログラムによって部屋図1-1 RVizを利用して産業用ロボットの自動把持システムを構築した例．(a)産業用ロボット，把持対象物，計測用センサを三次元空間に投影した例，(b)対象物の認識と姿勢計測結果を表示した例，(c)実物の動作をRVizのモデルに投影し，各関節の座標軸を表示した例，(d)実際に計測された三次元点群を表示した例．

(17)

4 第1章 ROSとは何か？の地図を完成させることもできます．多関節ロボットの動作計画のツールを利用すれば，難解な逆運動学の数式や確率的探索アルゴリズムを記述しなくても，わずか数行のPythonコードで多関節ロボットの作業がプログラムできます．これらの高機能ライブラリも，ROSが人気を集めている大きな要因です．さらに，OSSが普及する際には，エコシステム（開発コミュニティ）への配慮が重要です．ソフトの問題報告や改善が自発的に生じ，コミュニティの「自浄作用」によってソフトウェアの質を高めるような，意識の高い管理人が必要です．ROSは，この点にも多大な労力が割かれています．質問用ウェブサイトには新規の質問が1日平均17件寄せられ，質問者が満足する回答を得ている割合は7割に及びます．ROS Wikiの閲覧数は，1日3万件に達します．

1.2 ライセンス

ROSの主要な部分はBSD（Berkeley Software Distribution）ライセンスです．BSDライセ

ンスでは，「著作権表示／BSDライセンス条文／無保証」の旨をソースコード内に記載すれば，ソースコードを自由に使用することができます．再配布時にソースコードを開示する義務は発生しないため，商用製品へも適用しやすい形式です．ROSを利用した商品開発も，さまざまな企業によって進められています．

1.3 ROS と連動するソフトウェア

ここでは，ROSで利用できるソフトウェアの概要を紹介します．以下で紹介するソフトウェアには，ROSパッケージをフルインストールした場合に標準的にすべての機能が利用可能なもの，一部しか機能が利用できないもの，別にインストールする必要があるものなどがあることに注意が必要です．また，ROSのバージョンごとに必要となる関連パッケージのバージョンも変化します．それぞれの関連ソフトウェアの開発されてきた歴史的経緯が異なるため，さまざまなプログラミング言語が混在していることにも注意が必要です．

OpenCV

OpenCV（Open Source Computer Vision Library）は，コンピュータビジョンの標準的なライブラリで，広く利用されています．これはカメラを搭載するロボットを扱うときには必須のライブラリで，二次元画像処理だけではなく，ステレオカメラを用いる立体視の機能や，機械学習による物体認識まで，幅広く先端的な機能が実装されています．また，カメラで撮影した画像に処理結果や文字を上書きする機能も充実しており，ロボットの視覚を利用した遠隔操縦システム（テレオペレーション），仮想現実（VR），拡張現実（AR）などの機能の実装の際にも活躍します．主要なコンピュータビジョンのアルゴリズムが多く実装されており，C/C++，Python， Javaといった複数の言語での開発が可能です．また，マルチプラットフォームに対応しているという特長があります．OpenCVの開発はROSとは独立しており，頻繁なバージョンアップによ

(18)

5

57

第

5

章

センサとアクチュエータ

ロボットには，多数のセンサやモータなどのアクチュエータが搭載されます．ロボットの形や機能によって，さまざまな種類のセンサやモータの組合せが考えられますが，ROSには数多くのデバイスに接続する方法が準備されています．手軽に入手可能なセンサから，高価で入手が困難なセンサやロボットまで，数多くの情報が統合されています．また，さまざまに組み合わせたセンサやアクチュエータを，仮想のシミュレーション環境で，あたかも実物があるかのように動作させる場合にも利用できます．この章では，ROSがインストールされたパソコンに接続されたセンサやアクチュエータと情報をやり取りする方法について，例題を交えながら見ていきましょう．

5.1 USB カメラ

5.1.1

ドライバのインストール ROSにはいくつかのUSBカメラ用のドライバが用意されていますが，ここでは実績がある

「usb cam」ノードを使用します．また，キャプチャした画像の表示には「image view」ノードを使用しますから，以下の要領でインストールを行っておきます．

エラーがなければ，実際にUSBカメラ（図5-1）を接続して画像をキャプチャしてみましょう．

「usb cam」ノードのインストール

$ sudo apt install ros-kinetic-usb-cam

「image view」ノードのインストール

$ sudo apt install ros-kinetic-image-view

(19)

58 第5章センサとアクチュエータ

5.1.2

ノードの起動

USBカメラをパソコンに接続して，画像キャプチャのノードである「usb cam」ノードと，キャプチャした画像を表示する「image view」ノードを実行します．

初めにターミナルを開いて，「roscore」を忘れずに起動します．

$ roscore

別のターミナルを開き，以下のコマンドを入力します．

$ rosrun usb_cam usb_cam_node

一般的なノートパソコンでは，内蔵のカメラが「/dev/video0」に割り当てられます．「usb cam」ノードは，標準の設定で「/dev/video0」から画像をキャプチャする仕様になっていますから，上記のコマンドを実行した場合は，内蔵のカメラからキャプチャすることになります．もし，ノー

トパソコンのUSBポートに接続したカメラの画像をキャプチャしたい場合には，次のようなオ

プションでビデオデバイスを変更します．

$ rosrun usb_cam usb_cam_node _video_device:=/dev/video1

「usb cam」ノードの実行でエラーがなければ，さらに別のターミナルを開き，以下のように「image view」ノードを実行します．

$ rosrun image_view image_view image:=/usb_cam/image_raw

ここで，オプションの「image:=/usb cam/image raw」は，「usb cam」ノードが「/usb cam/ image raw」というトピックにパブリッシュした画像データを，「image view」ノードの「image」

トピックがサブスクライブするという指定です．図5-2のように，キャプチャした画像が表示さ

(20)

5

5.1 USBカメラ 59 れれば正常に動作しており，表示されない場合はトピックやビデオデバイスの名称が間違っていないかを確認してください．

5.1.3

ノードのパラメータ設定

ソースコード5-1は「usb cam」ノードと「image view」ノードを一度に実行する「usb cam.launch」です．このlaunchファイルでは，「usb cam」ノードのいくつかのパラメータを変更して起動します．ここでは，知っておくと便利なパラメータをいくつか紹介します．すべてのパラメータの詳細は公式Wiki†を参照してください．

ソースコード5-1 usb camとimage viewを起動するlaunchファイル usb cam.launch 1 <launch>

2

3 <node name="usb_cam" pkg="usb_cam" type="usb_cam_node" output="screen"> 4 <remap from="/usb_cam/image_raw" to="/usb_cam/image_raw"/>

5 <param name="video_device" value="/dev/video1" /> 6 <param name="image_width" value="640" />

7 <param name="image_height" value="480" /> 8 <param name="pixel_format" value="mjpeg" /> 9 <param name="framerate" value="30" /> 10 <param name="contrast" value="32" /> 11 <param name="brightness" value="32" /> 12 <param name="saturation" value="32" /> 13 <param name="autofocus" value="true" /> 14 <param name="focus" value="51" /> 15 </node>

16

17

18 <node name="image_view" pkg="image_view" type="image_view" respawn="false" output="screen">

19 <remap from="image" to="/usb_cam/image_raw"/> 20 <param name="autosize" value="true"/>

21 </node> 22 </launch>

video device: カメラのビデオデバイスを指定します．ノートパソコンの内蔵カメラは「/dev/video0」に割り当てられていることが多いので，外付けのUSBカメラを使用

するときはこの値を変更します．

image width, image height: キャプチャする画像の縦横のサイズを指定します．

pixel format: 画像フォーマットを指定します．「mjpg」「yuyv」「uyvy」を指定することができます．

framerate: 画像を取得するサイクルを「fps（frame per second）」の単位で指定します．パソコンのパワーが不足していると思う場合には，この値を小さくします．

contrast, brightness, saturation: コントラストや明るさ，彩度といった画像パラメータを指定します．

(21)

60 第5章センサとアクチュエータ

autofocus, focus: オートフォーカス機能を有効にしたり，フォーカスを一定の位置に固定したりできます．

「image view」ノードでは「remap」タグにより，「usb cam」ノードが「/usb cam/image raw」トピックに配信した画像データを，「image view」ノードの「image」トピックがサブスクライブするように指定しています．

autosize: サブスクライブした画像データの縦横比を自動で判定して画像表示を行います．

最後に，以下のようにlaunchファイルを実行して，「usb cam」ノードと「image view」ノードを一度に起動してみます．ここでも，「roscore」を実行しておくのを忘れないでください．GitHub

からダウンロードしたファイルを使って実行してみましょう†．

$ roslaunch chapter5 usb_cam.launch

5.2 RGB-D カメラ

Microsoft社製の「Kinect Xbox 360」（以下，Kinect）やASUS社製の「Xtion PRO LIVE」（以下，Xtion）といったセンサ（図5-3）は，カラー画像（RGB）に加えて，距離画像（depth）を取得できることから，RGB–Dカメラとよばれます．ここではKinectやXtionを使い，USB

カメラと同様のRGB画像や奥行きの違いを距離に応じた濃淡で表現した距離画像を取得してみ

ます．

図5-3 Microsoft Kinect Xbox 360（左）とASUS Xtion PRO LIVE（右）

5.2.1

ドライバのインストール

以下のコマンドでドライバをインストールします．

$ sudo apt install ros-kinetic-openni-* $ sudo apt install ros-kinetic-openni2-* $ sudo apt install ros-kinetic-freenect-*

エラーがなければ，次は実際にRGB-Dカメラを接続して画像をキャプチャしてみましょう．

(22)

15

279

第

15

章

システム統合（ロボットを使ってみよう）

ここまで，ロボットシステムをプログラミングするためのさまざまなROSの機能について見てきました．この章では，それらをすべて統合し，実際のオリジナルロボットを構成して動作させる例を紹介します．例として取り上げるロボットは，RoboCup@Home†1に参加するホームサービスロボット「Exi@ （エクシア）」です．このロボットには，自律移動機能や，対象物を認識するカメラシステム，対象物を把持するロボットアームが搭載されています．また，音声で指令を与えることができる機能ももっています．これらの機能を実現するために，このロボットには複数台のパソコンが搭載されていますので，ROSによるソフトウェアの構成は複雑です．そこでこの章では，このような実際のロボットで活用されている，「複数台のパソコンをまたがってシステムを管理する方法」「デバイス・フレームワークの追加方法」「演算負荷管理の方法」などを説明します．読者は，実際のロボットの構築例を通して，ROSの強力な機能を実感することでしょう．

15.1 ロボットの構成

ホームサービスロボット「Exi@」の外観を図15-1に示します．このロボットは，人間との共同作業を実現するために，画像や音声による人との対話機能を搭載しています．センサとして，カラー画像と深度画像を得るRGB-Dカメラ，周囲のノイズを拾いにくいショットガンマイク，屋内環境で自律ナビゲーションを実現するために用いるLiDARを搭載しています．また，オムニホイールを用いた全方位移動台車によって，屋内の狭所を円滑に移動できます．さらに，福祉機器としても利用できるロボットアームを搭載しています．計算機は，パソコンが2台（Ubuntu

14.04とWindows 10）と，組み込み演算機（FPGA†2と組み込みCPUで構成したSoC†3）を搭載しています．次に，このロボットのソフトウェアの構成を図15-2に示します．画像や音声の処理ソフトウェア，各アクチュエータやセンサのコントローラなどを，ROSノードとして実装しています．また，ROS以外のフレームワークや，Windowsで構築したプログラムを組み合わせて，全体のシステムを構成しています． †1_{http://www.robocupathome.org/} †2_{Field Programmable Gate Array}_の略． †3_{System on Chip}_の略．_OS_は_{Ubuntu 12.04}_．

(23)

280 第15章システム統合（ロボットを使ってみよう）図15-1 Exi@のハードウェア外観図15-2 ロボットのソフトウェアの構成このロボットのソフトウェアは，現在，100近いROSノードやそのほかのフレームワークなどから構成されており，大規模なシステムになっています．以下では，このような複雑で大規模なロボットシステムをどのように管理するかを説明します．

15.2 大規模なシステム構築例

ロボットのシステム図を図15-3に示します．このなかで，画像や音声の知的処理は「Part Time Working Nodes」や「Full Time Working Nodes」が担当します．また，各アクチュエータやセンサのコントローラは，「Sensor/Actuator Drivers」として実装されています．

ロボットはさまざまな領域の技術の集大成ですので，どのようなロボットも，最終的には図15-3

に示すような大規模なシステムになるでしょう．以下では，このような大規模システム統合でも汎用的に利用できる三つのTipsを紹介します．

(24)

15

15.3 Tips 1:複数のパソコンに跨るシステムの管理 281 図15-3 ロボットのシステム図以下で紹介するTipsはすべて，GitHub†にて公開・メンテナンスされているソースコードからの抜粋です．より実践的なシステム統合を行う場合は，こちらを参考にしてください．

15.3 Tips 1: 複数のパソコンに跨るシステムの管理

システム統合の際には，図15-31のように，同一ネットワークに属する複数のパソコンで稼働する複数のプログラムを，一つのシステムとして稼働させたいという場面に遭遇します．ここでは，二つの場合に分けて，この問題の解決策を解説します．

15.3.1 ROS–ROS

のシステム統合まず，複数のパソコンでROSが稼働しており，それらを一つのシステムとして統合する例を紹介します．イーサネットで接続されたパソコンに対して，以下のコマンドでそれぞれのパソコンのIPアドレスを事前に調べます． $ ifconfig 上記のコマンドで出力される「inet addr」に続くIPアドレスをメモしておいてください．次に，ROSマスタを稼働するパソコンを1台決めてください．以降では，そのパソコンを「ホスト」とよび，ホストに接続するパソコンを「クライアント」とよびます．ここで，ホストのIP アドレスが「192.168.0.100」，クライントのIPアドレスが「192.168.0.200」だと仮定します． †_{https://github.com/hibikino-musashi-athome}

(25)

282 第15章システム統合（ロボットを使ってみよう）まずホストで，一つ目のターミナルに以下のコマンドを入力して，「roscore」を起動します． $ roscore 次に，二つ目のターミナルに以下のコマンドを入力して，ホストのIPアドレスを設定します． $ export ROS_IP=192.168.0.100 クライアントでは，以下のコマンドを一つ目のターミナルに入力して，ホストとクライアントのIPアドレスの設定を行います． $ export ROS_MASTER_URI=http://192.168.0.100:11311 $ export ROS_IP=192.168.0.200 これらの設定が終了した後は，それぞれのパソコンでROSノードを起動すると，それらが一つのROSシステムとして自動的に統合されます．

15.3.2 ROS –

非

ROS

のシステム統合 Windowsなどで開発したプログラムをROSシステムに統合したい場合があります．たとえば，これまでにWindows環境でロボットを開発してきたけれど，新たにROSの便利な機能を導入したいと思い立ったとします．さらに，その環境が入っているノートパソコンを流用したいとします．そのような場合に便利なのが，ソケット通信†1により，Windows，Mac OS，Android，Linux

が混在する複数のパソコンを接続して利用する方法です．GitHub†2に，ROS Indigo，Windows 10 Visual Studio 2015で動作を確認したC++ソケット通信ライブラリを公開していますので，参考にしてください．ソケット通信では，サーバとクライアントを意識してシステムを設計する必要があります．サーバは，ホストと同様に，1台のパソコンで稼働させます．また，常に稼働している必要がありますので，機能ごとにスリープしたりしないパソコンをサーバとして設定します．また，クライアントは，サーバに対して接続と切断を繰り返すことを前提に構成します． Exi@では，図15-3右下に示した部分のWindowsパソコンに，マニピュレータ制御プログラム（Actuator Driversの一部）を実装しています．このパソコンに，ROSシステムから図15-31

を通じて，ソケット通信により制御量を送信しています．このシステムでは，（1）Windowsのマニピュレータ制御プラグラムを起動して，（2）ROSから制御量を送信しています．そのために， Windowsパソコンをサーバ，ROSパソコンをクライアントとしてシステム統合を行っています． †1_{インターネットの通信プロトコルである}_TCP/IP_{のインタフェースであり，これを用いた通信をソケット通信} とよびます． †2_{https://github.com/hibikino-musashi-athome/rosbook}

(26)

285

索引

●ソフトウェア／サービス Bitbucket 18 Blender 76 Docker 252, 264 Gazebo 3, 9, 89 Git 1, 18 GitHub 1, 18 gtest 237 IKFast 8 MATLAB 11, 267 ODE 9, 92 OMPL 8 OpenCV 4, 115 OpenRAVE 8 OpenRTM 1 OpenSLAM 6 PCL 5, 143

Robotics System Toolbox 267

Simulink 274 Travis CI 251 Ubuntu 13 unittest 237, 244 VMware Workstation Player

269

●ROSパッケージ／ノード／プラグイン

actionlib 193, 203 amcl 190, 192–194, 196 base local planner 188, 197 carrot planner 197 cartographer 198

clear costmap recovery 198 costmap 2d 186, 193, 197 dwa local planner 197 global planner 197 gmapping 194–196, 200 hardware interface 89 image view 57, 59 industrial ci 252 joy 180 map saver 185 map server 185, 190, 193 move base 190, 192, 193, 196 move slow and clear 198 nav core 193, 197, 198 navfn 188, 197 navigation 52, 177, 181, 185, 191, 193, 198, 199 pluginlib 197, 219 ros control 89, 94 ros controller 92 rosbag 52, 183 rosbash 30 roscpp 22 rosdep 16 rospy 22 rostest 248 rotate recovery 198 rqt 47 rqt graph 48 rqt plot 48 RViz 3, 8, 50 slam gmapping 177, 181, 183, 185, 194, 198, 199 smach 212

teleop twist joy 180 tf 50, 105, 178, 179 turtlebot navigation 189 urg node 179 usb cam 57 wstool 252, 260 ypspur ros 180 ●ROSコマンド catkin make 21 roscd 30 roscore 32 roscp 31 rosd 31 rosed 31 roslaunch 33 rosls 31 rosmsg 36 rosnode 34 rospack 33 rosparam 37 rospd 30 rosrun 32 rosservice 36 rossrv 37 rostopic 34 ●その他 ROSキーワード 2D Nav Goal 52 2D Pose Estimate 52 advertise 26 bagファイル 52 catkin 21 joint 82 link 82 message 25 MoveIt! 8 node 24 package 22 parameter server 27 Publish Point 52 remap 28 ROS2 11

ROS Action Protocol 204 ROS Answers 17 ROS Discourse 18 ROS Index 18 ROS–Industrial 2, 10 ROS Japan Users Group 18 ROS master 27

ROS.org 17 ROS Wiki 4, 13, 17 ROSパッケージ 92

(27)

286 索引 ROSマスタ 27 rvizファイル 52 service 26 topic 25 URDF 9, 81 Xacro 86 ●ハードウェア FPGA 279 Kinect 60

Light Detection and Ranging （LiDAR） 62, 178 LRF 62 RGB-Dカメラ 60, 178 TurtleBot2 65 USBカメラ 57 Xtion 60 ●組織など GitHub Organizations 18 OSRF 1 RoboCup@Home 279 Willow Garage社 1 ●手法／アルゴリズムなど Bayes Filter 194 Binary Bayes Filter 195 Dynamic Window Approach

（DWA） 197

Extended Kalman Filter（EKF） 194, 195

Global Dynamic Window Approach（Global DWA） 196

Graph-Based SLAM 198 Grid-Based SLAM 195, 196 Histogram Filter（HF） 194 Iterative Closest Point（ICP）

152

Monte Carlo Localization （MCL） 194–196

Particle Filter（PF） 193, 194 Rao-Blackwellized Particle

Filter（RBPF） 194, 195 Simultaneous Localization and

Mapping（SLAM） 6, 181, 194, 196, 198 英数 3D CAD 75 A* 197 AIフレームワーク 283 BSDライセンス 4 C++/Python API Documentation 18 call 26 COLLADA 9, 76 cv::Mat 117 DDS 11 Diﬀerential Drive 178 geometry msgs/Twist型 49

neﬀ（Number of Eﬀective

Particles） 185, 196 namespace 27 Omni-Directional 178 ORB 135 pcd 147 SimpleActionClient 205 SimpleActionServer 205 STL 76 Toolbox 267 UV展開 77 あ行アドバタイズ 25, 26 インスタンス化 107, 143 エコシステム 2 エッジ検出 126 オドメトリ 180, 200 オーバーロード 224 オプション要素 82 オープンソースソフトウェア 1 音声認識フレームワーク 283 か行開発コミュニティ 4 開発・操作ツール 3 ガウシアンフィルタ 130 学習データ 138 画像エッジ 126, 128 仮想マシン 268 画素値 118 カメラキャリブレーション 140 カメラ中心 140 キーポイント 132 キャニーアルゴリズム 130 距離画像カメラ 178 クォータニオン 106, 157 クラスタリング 160 グローバルコストマップ 186, 188, 197 計測モデル 185, 194, 195 経路計画 188, 196, 197 高機能ライブラリ 4 コストマップ 186, 197 コール 26 コンテナ 213 さ行撮影時の時刻 123 差動駆動 178, 189 サービス 26 座標変換 104 サブスクライブ 25 サポートベクターマシン 136 サーボモータ 68 識別器の訓練 138 自己位置推定 181, 193, 196, 198 ジョイパッド 64 状態遷移図 212 スキャンマッチング 185, 195, 198 ステートマシン 212, 283 全方向移動 178 占有格子地図 195–197 ソケット通信 282 ソーベルオペレータ 128 た行ダイクストラ法 197 タイムスタンプ 54 ダウンサンプリング 167 畳み込み演算 128 単体テストコード 240 地図生成 181, 194 通信ライブラリ 2 ディスクリプタ 132 テクスチャ編集 78 テストケース 241 テストコード 237 テストスイート 241, 248 デバッグ 55 動作計画 188, 196, 197 動作モデル 185, 194, 195 透視投影モデル 140 トピック 25 な行名前空間 27 ノード 24 ノンホロノミック系 178, 189

(28)

索引 287 は行配信時刻 54 パッケージ 22 パブリッシュ 25 パラメータサーバ 27 必須要素 82 非ホロノミック系 178 ファイルシステム 21 ブロードキャスタ 105 平面クラスタリング 174 平面セグメンテーション 169 ポイントクラウド 5, 144 ホロノミック系 178, 189 ま行ミドルウェア 1 メタパッケージ 5 メッセージ 25 ら行ラスタスキャン 129 ラプラシアンフィルタ 130 リスナ 105 リマップ 28 レーザスキャナ 178 ローカルコストマップ 186, 188, 197

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著者略歴西田健（にしだ・たけし）九州工業大学大学院工学研究院機械知能工学研究系准教授．博士（工学）．次世代産業用ロボット，人工知能，自動運転などの研究に従事．専門は確率システム制御理論．マテリアル・センシング・メカトロニクス・AI・制御理論．森田賢（もりた・まさる）株式会社安川電機開発員．九州工業大学大学院工学府機械知能工学専攻博士後期課程在学中（兼務）．会社でシステムコントローラの開発を行う傍ら，大学院では西田准教授のもとで次世代産業用ロボット，人工知能，自動運転などの研究に従事．岡田浩之（おかだ・ひろゆき）玉川大学工学部情報通信工学科教授．博士（工学）．家庭用サービスロボットの開発に従事．RoboCup世界大会 @Home Leagueで2008年（中国），2010年（シンガポール）と2度の優勝．原祥尭（はら・よしたか）千葉工業大学未来ロボット技術研究センター（fuRo）主任研究員．博士（工学）．自己位置推定，地図生成，SLAM などの自律走行や，物体認識に関する研究に従事．つくばチャレンジにおいて，日立製作所，筑波大学，千葉工業大学の歴代チームで複数回の完走を達成．山崎公俊（やまさき・きみとし）信州大学学術研究院工学系准教授．博士（工学）．知能ロボットのためのセンサ情報処理，動作計画，作業計画の研究に従事．最近は，布や紐のような不定形物の操作の自動化に力を入れている．田向権（たむこう・はかる）九州工業大学大学院生命体工学研究科人間知能システム工学専攻准教授．博士（工学）．脳型計算機システム，ソフトコンピューティング，hw/sw複合体，およびこれらの知能ロボット・自動車への応用に関する研究に従事．

RoboCup 2017世界大会@Home Domestic Standard Platform Leagueで優勝．垣内洋平（かきうち・ようへい）

東京大学大学院情報理工学系研究科知能機械情報学専攻創造情報学専攻特任助教．博士（工学）．大川一也（おおかわ・かずや）

千葉大学大学院工学研究院基幹工学専攻准教授．博士（工学）．齋藤功（Isaac I.Y. Saito）

日本におけるROSコントリビュータの第一人者であり，世界的に利用されているフォーラムのもっともアクティブな回答者の一人．田中良道（たなか・りょうどう）九州工業大学大学院工学府機械知能工学専攻博士前期課程在学中．有田裕太（ありた・ゆうた）九州工業大学大学院工学府機械知能工学専攻博士前期課程修了．石田裕太郎（いしだ・ゆうたろう）九州工業大学大学院生命体工学研究科生命体工学専攻博士後期課程在学中．RoboCupに2004年から参加． RoboCup 2017世界大会@Home Domestic Standard Platform Leagueで優勝．

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編集担当藤原祐介（森北出版）編集責任富井晃（森北出版）組版プレイン印刷日本制作センター製本同実用ロボット開発のための ROSプログラミング c 西田健・森田賢・岡田浩之原祥尭・山崎公俊・田向権垣内洋平・大川一也・齋藤功田中良道・有田裕太・石田裕太郎 2018 2018年10月17日第1版第1刷発行【本書の無断転載を禁ず】著者西田健・森田賢・岡田浩之・原祥尭山崎公俊・田向権・垣内洋平・大川一也齋藤功・田中良道・有田裕太・石田裕太郎発行者森北博巳発行所森北出版株式会社東京都千代田区富士見1-4-11（〒102-0071）電話03-3265-8341／FAX 03-3264-8709 http://www.morikita.co.jp/ 日本書籍出版協会・自然科学書協会会員＜（社）出版者著作権管理機構委託出版物＞落丁・乱丁本はお取替えいたします．

実用ロボット開発のための ROS プログラミング サンプルページ 本 定価 判型, 以下 URL から 覧い けます. サンプルペ ジ 内容, 初版 1 刷発行時 も です.