ネイティブ ROS を使用してロボット研究を簡素化する方法

ロボットレポートスタッフより | 2023 年 8 月 28 日

ロボットオペレーティングシステム (ROS) は、ロボット研究用の強力なオープンソースプラットフォームですが、最近まで、ROS ソフトウェアスタックと緊密に統合された工業品質のハードウェアが不足していました。ロボット機器メーカーはマニピュレーターに独自のクローズドソースソフトウェアと制御システムを使用しているため、研究者が産業用ロボットで ROS を使用するには険しい山を登らなければなりません。

このニーズに対処し、ROS 開発コミュニティの機能を向上させるために、Tormach は、現代のロボットアプリケーションを悩ませる「ブラックボックス」問題を回避する、ROS ベースの産業用ロボットマニピュレータおよび制御システムを作成しました。さらに、Tormach の制御システムである PathPilot は、ロボットプログラミング言語として Python を使用し、ロボット動作のための直感的なプログラミングインターフェイスを作成し、Python パッケージエコシステムの可能性を解き放ちます。

このオープンソースの ROS ベースのロボティクスプラットフォームには、制御システム、産業用ロボットハードウェア、すべてのシステムパラメーターへのフルアクセスが含まれており、より多くの研究者、開発者、学生に産業用ロボットを提供する、高速でアクセスしやすいソリューションが作成されます。

ロボット制御メーカーは、次の理由から、ROS 開発者が自社のクローズドソースコントロール内のすべてのシステムパラメータにアクセスできるようにすることに躊躇しています。

これらの理由により、ROS と市販のロボットハードウェア間の統合は制限されています。 ROS を他の産業用ロボットに接続するドライバーは存在しますが、その低帯域幅 (10 ～ 100Hz) の実装は、独自のクローズドソースコントローラーにウェイポイントをドリップフィードするだけです。

その結果、ユーザーはロボットがタイミング、速度、および経路精度の意図を遵守しているかどうかにアクセスできない可能性があります。モーターのトルク、電流、追従誤差などのデータは通常は入手できず、制御ループが遅いため、研究者が達成できることは大幅に制限されます。

VULCAN 装置に設置された OpeN-AM 実験プラットフォームは、溶融金属の層を印刷して複雑な形状を作成する Tormach ZA6 ロボットアームを備えています。中性子ビームを使って 3D プリントされた溶接部を顕微鏡で観察することで、研究者は加熱と冷却によって生じる応力などの要因をより深く理解できるようになります。 (クレジット: ORNL/ジル・ヘマン)

ROS/HAL ハードウェアおよびソフトウェアスタックは、貴重な制御の機会を提供するフィードバックを提供します。

ZA6 は次の機能を提供します。

これらのフィードバック要素のほとんどは、下位レベルの制御層のみに焦点を当てています。より高いレベルの制御層は、研究のニーズに応じて他の機会を提供できます。

ROS とロボットのハードウェア間の接続は、ハードウェア抽象化レイヤー (HAL) に依存します。 HAL は、25 年前に国立標準試験研究所 (NIST) で始まったオープンソースの拡張マシンコントローラー (EMC) プロジェクトから発展しました。

HAL は柔軟で 100% オープンソースであり、世界中の何千台ものマシンで使用されているため、HAL の開発は LinuxCNC および Machinekit プロジェクトを通じて現在も活発に行われています。

HAL は、名前付き信号を介して接続する名前付きピンを更新、読み取り、書き込みすることによって相互に通信するモジュラーコンポーネント (ロード可能なバイナリモジュール) で構成されます。ある意味、HAL は ROS に似ていますが、重要な違いがあります。

Tormach ロボットは、ROS とオープンソースの hal_ros_control コンポーネントの間のギャップを埋めます。 HAL と ROS を組み合わせることで、豊富なロボットデータをユーザーに公開できます。すべてのプロセスデータには、シェルコマンド、データロガーユーティリティ、およびグラフィカルスコープを介してアクセスできます。トルク、電流、追従エラー、位置、速度などを含む EtherCAT バス上のすべての情報は 1 kHz で利用可能であり、HAL 経由で ROS に公開されます。

HAL はモジュール式で柔軟性があるため、ユーザーは事前に構築された HAL コンポーネントを使用するか、C または Python で新しいコンポーネントを作成することによってロボットの HAL 構成を変更でき、ほぼすべての外部デバイスまたはプロセスと簡単に統合できます。