Sistema Operativo para Robots

En algún momento antes de 2007, las primeras piezas de lo que eventualmente se convertiría en ROS comenzaron a tomar forma en la Universidad de Stanford . ^{[ 17 ] [ 18 ]} Eric Berger y Keenan Wyrobek, estudiantes de doctorado que trabajaban en el ^{[ 19 ]} Laboratorio de Robótica de Kenneth Salisbury en Stanford, dirigían el Programa de Robótica Personal. ^{[ 20 ]} Mientras trabajaban en robots para realizar tareas de manipulación en entornos humanos, los dos estudiantes notaron que muchos de sus colegas se veían limitados por la naturaleza diversa de la robótica: un excelente desarrollador de software podría no tener el conocimiento de hardware necesario, alguien que desarrollaba planificación de trayectorias de vanguardia podría no saber cómo realizar la visión artificial requerida. En un intento por remediar esta situación, los dos estudiantes se propusieron crear un sistema base que proporcionara un punto de partida para que otros en la academia pudieran construir sobre él. En palabras de Eric Berger, "algo que no fuera malo, en todas esas diferentes dimensiones". ^{[ 17 ]}

En sus primeros pasos hacia este sistema unificador, los dos construyeron el PR1 como un prototipo de hardware y comenzaron a trabajar en el software a partir de él, tomando prestadas las mejores prácticas de otros marcos de software robótico de código abierto iniciales, en particular switchyard, un sistema en el que Morgan Quigley, otro estudiante de doctorado de Stanford, había estado trabajando en apoyo del Robot de Inteligencia Artificial de Stanford (STAIR) ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} por el Laboratorio de Inteligencia Artificial de Stanford . La financiación inicial de US$50,000 fue proporcionada por Joanna Hoffman y Alain Rossmann , que apoyó el desarrollo del PR1. Mientras buscaban financiación para un mayor desarrollo, ^{[ 25 ]} Eric Berger y Keenan Wyrobek conocieron a Scott Hassan, el fundador de Willow Garage , una incubadora de tecnología que estaba trabajando en un SUV autónomo y un barco autónomo solar. Hassan compartió la visión de Berger y Wyrobek de un "Linux para robótica" y los invitó a venir a trabajar a Willow Garage. Willow Garage se inició en enero de 2007, y la primera confirmación de código ROS se realizó en SourceForge el 7 de noviembre de 2007. ^{[ 26 ]}

Willow Garage comenzó a desarrollar el robot PR2 como sucesor del PR1, y ROS como el software para controlarlo. Grupos de más de veinte instituciones contribuyeron a ROS, tanto al software principal como al creciente número de paquetes que funcionaban con ROS para formar un ecosistema de software más amplio. ^{[ 27 ] [ 28 ]} El hecho de que personas ajenas a Willow contribuyeran a ROS (especialmente del proyecto STAIR de Stanford) significó que ROS fuera una plataforma multi-robot desde el principio. Si bien Willow Garage había tenido originalmente otros proyectos en marcha, estos fueron descartados en favor del Programa de Robótica Personal: que se centró en producir el PR2 como plataforma de investigación para el ámbito académico y ROS como la pila de robótica de código abierto que sustentaría tanto la investigación académica como las startups tecnológicas, de forma similar a como la pila LAMP lo hizo para las startups basadas en la web.

En diciembre de 2008, Willow Garage alcanzó el primero de sus tres hitos internos: navegación continua para el PR2 durante dos días y una distancia de pi kilómetros. ^{[ 29 ]} Poco después, se lanzó una versión temprana de ROS (0.4 Mango Tango) ^{[ 30 ] , seguida de la primera documentación de RVIZ y el primer artículo sobre ROS. [ 28 ]} A principios del verano, se alcanzó el segundo hito interno: lograr que el PR2 navegara por la oficina, abriera puertas y se enchufara solo. ^{[ 31 ]} A esto le siguió en agosto la puesta en marcha del sitio web ROS.org. ^{[ 32 ]} En diciembre se publicaron los primeros tutoriales sobre ROS, ^{[ 33 ]} preparando el lanzamiento de ROS 1.0 en enero de 2010. ^{[ 34 ]} Este fue el Hito 3: producir toneladas de documentación y tutoriales para las enormes capacidades que los ingenieros de Willow Garage habían desarrollado durante los 3 años anteriores.

Posteriormente, Willow Garage logró uno de sus objetivos más antiguos: regalar 10 robots PR2 a instituciones académicas meritorias. Este había sido un objetivo de los fundadores desde hacía tiempo, ya que creían que el PR2 podría impulsar la investigación en robótica en todo el mundo. Finalmente, entregaron once PR2 a diferentes instituciones, entre ellas la Universidad de Friburgo (Alemania), Robert Bosch GmbH , el Instituto Tecnológico de Georgia , la KU Leuven (Bélgica), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad de Stanford , la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), la Universidad de California, Berkeley , la Universidad de Pensilvania , la Universidad del Sur de California (USC) y la Universidad de Tokio (Japón). ^{[ 35 ]} Esto, combinado con el exitoso programa de prácticas de Willow Garage ^{[ 36 ]} (dirigido de 2008 a 2010 por Melonee Wise ), ayudó a difundir información sobre ROS en todo el mundo de la robótica. La primera distribución oficial de ROS, ROS Box Turtle, se publicó el 2 de marzo de 2010, marcando la primera vez que ROS se distribuyó oficialmente con un conjunto de paquetes versionados para uso público. Estos avances dieron lugar al primer dron que ejecutaba ROS, ^{[ 37 ]} el primer coche autónomo que ejecutaba ROS, ^{[ 38 ]} y la adaptación de ROS para Lego Mindstorms . ^{[ 39 ]} Con el programa beta PR2 en pleno desarrollo, el robot PR2 se lanzó oficialmente para su compra comercial el 9 de septiembre de 2010. ^{[ 40 ]}

2011 fue un año estelar para ROS con el lanzamiento de ROS Answers, un foro de preguntas y respuestas para usuarios de ROS, el 15 de febrero; ^{[ 41 ]} la introducción del exitoso kit de robot TurtleBot el 18 de abril; ^{[ 42 ]} y el número total de repositorios de ROS superó los 100 el 5 de mayo. ^{[ 43 ]} Willow Garage comenzó 2012 creando la Open Source Robotics Foundation (OSRF) ^{[ 44 ]} en abril. La OSRF recibió inmediatamente un contrato de software de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). ^{[ 45 ]} Más tarde ese año, se celebró la primera ROSCon en St. Paul, Minnesota, ^{[ 46 ]} se publicó el primer libro sobre ROS, ROS By Example , ^{[ 47 ]} y Rethink Robotics anunció Baxter , el primer robot comercial que ejecuta ROS . ^{[ 48 ]} Poco después de cumplir su quinto aniversario en noviembre, ROS comenzó a funcionar en todos los continentes el 3 de diciembre de 2012. ^{[ 49 ]}

En febrero de 2013, la OSRF se convirtió en la principal responsable del mantenimiento del software ROS, ^{[ 50 ]} anticipando el anuncio en agosto de que Willow Garage sería absorbida por sus fundadores, Suitable Technologies . ^{[ 51 ]} En ese momento, ROS había lanzado siete versiones principales (hasta ROS Groovy), ^{[ 52 ]} y tenía usuarios en todo el mundo. Este capítulo del desarrollo de ROS finalizaría cuando Clearpath Robotics asumió las responsabilidades de soporte para PR2 a principios de 2014. ^{[ 53 ]}

Desde que OSRF asumió el desarrollo principal de ROS, se ha lanzado una nueva versión cada año, ^{[ 52 ]} mientras que el interés en ROS continúa creciendo. Las ROSCons se han celebrado anualmente desde 2012, junto con ICRA o IROS , dos conferencias emblemáticas de robótica. Se han organizado encuentros de desarrolladores de ROS en varios países, ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]} se han publicado varios libros sobre ROS, ^{[ 57 ]} y se han iniciado muchos programas educativos. ^{[ 58 ] [ 59 ]} El 1 de septiembre de 2014, la NASA anunció el primer robot en ejecutar ROS en el espacio: Robotnaut 2 , en la Estación Espacial Internacional . ^{[ 60 ]} En 2017, OSRF cambió su nombre a Open Robotics . Los gigantes tecnológicos Amazon y Microsoft comenzaron a interesarse en ROS durante este tiempo, con Microsoft portando el núcleo de ROS a Windows en septiembre de 2018, ^{[ 61 ]} seguido por Amazon Web Services lanzando RoboMaker en noviembre de 2018. ^{[ 62 ]}

Quizás el desarrollo más importante de los años de OSRF/Open Robotics hasta ahora (sin descartar la explosión de plataformas robóticas que comenzaron a soportar ROS o las enormes mejoras en cada versión de ROS) fue la propuesta de ROS 2, un cambio significativo de API para ROS que está destinado a soportar la programación en tiempo real , una variedad más amplia de entornos de computación y tecnología más moderna. ^{[ 63 ]} ROS 2 se anunció en ROSCon 2014, ^{[ 64 ]} las primeras confirmaciones al repositorio ros2 se hicieron en febrero de 2015, seguidas de lanzamientos alfa en agosto de 2015. ^{[ 65 ]} El primer lanzamiento de distribución de ROS 2, Ardent Apalone, se lanzó el 8 de diciembre de 2017, ^{[ 65 ]} marcando el comienzo de una nueva era de desarrollo de ROS de próxima generación.

ROS se diseñó como software de código abierto, con la intención de que los usuarios pudieran elegir la configuración de herramientas y bibliotecas que interactúan con el núcleo de ROS, de modo que pudieran adaptar sus pilas de software a su robot y área de aplicación. Por lo tanto, hay muy poco que sea esencial para ROS, más allá de la estructura general dentro de la cual deben existir y comunicarse los programas. En cierto sentido, ROS es la infraestructura subyacente de los nodos y el paso de mensajes. Sin embargo, en realidad, ROS no es solo infraestructura, sino un conjunto de herramientas rico y maduro, un amplio conjunto de capacidades independientes del robot proporcionadas por paquetes y un ecosistema más amplio de complementos para ROS.

Los procesos ROS se representan como nodos en una estructura de grafo, conectados por aristas llamadas temas. ^{[ 66 ]} Los nodos ROS pueden enviarse mensajes entre sí a través de temas, realizar llamadas de servicio a otros nodos, proporcionar un servicio a otros nodos o establecer o recuperar datos compartidos de una base de datos común llamada servidor de parámetros. Un proceso llamado Maestro ROS1 ^{[ 66 ]} hace posible todo esto al registrar los nodos en sí mismo, establecer la comunicación entre nodos para los temas y controlar las actualizaciones del servidor de parámetros. Los mensajes y las llamadas de servicio no pasan por el maestro; en cambio, el maestro establece la comunicación punto a punto entre todos los procesos de los nodos después de que se registren en él. Esta arquitectura descentralizada se presta bien a los robots, que a menudo consisten en un subconjunto de hardware informático en red y pueden comunicarse con computadoras externas para realizar cálculos complejos o ejecutar comandos.

rviz ^{[ 69 ]} (herramienta de visualización de robots) es un visualizador tridimensional que se utiliza para visualizar robots, los entornos en los que trabajan y los datos de los sensores. Es una herramienta altamente configurable, con muchos tipos diferentes de visualizaciones y complementos. El formato de descripción unificada de robots ( URDF ) es un formato de archivo XML para la descripción de modelos de robots.

rosbag ^{[ 70 ]} es una herramienta de línea de comandos que se utiliza para grabar y reproducir datos de mensajes ROS. rosbag utiliza un formato de archivo llamado bags, ^{[ 71 ]} que registra los mensajes ROS escuchando los temas y grabando los mensajes a medida que llegan. Reproducir mensajes desde un bag es prácticamente lo mismo que tener los nodos originales que produjeron los datos en el grafo de computación ROS, lo que convierte a los bags en una herramienta útil para grabar datos que se utilizarán en el desarrollo posterior. Si bien rosbag es una herramienta solo de línea de comandos, rqt_bag ^{[ 72 ]} proporciona una interfaz gráfica de usuario para rosbag .

catkin ^{[ 73 ]} es el sistema de compilación de ROS1, que reemplazó a rosbuild ^{[ 74 ]} a partir de ROS Groovy. catkin se basa en CMake y es igualmente multiplataforma, de código abierto e independiente del lenguaje. A partir de ROS2, catkin ya no se utiliza, pero aún se mantiene para brindar soporte a versiones anteriores. ^{[ 75 ]}

El paquete rosbash ^{[ 76 ]} proporciona un conjunto de herramientas que amplían la funcionalidad del intérprete de comandos bash . Estas herramientas incluyen rosls , roscd y roscp , que replican las funcionalidades de ls , cd y cp respectivamente. Las versiones ROS de estas herramientas permiten a los usuarios usar nombres de paquetes ROS en lugar de la ruta de archivo donde se encuentra el paquete. El paquete también agrega autocompletado con la tecla Tab a la mayoría de las utilidades ROS e incluye rosed, que edita un archivo dado con el editor de texto predeterminado elegido, así como rosrun , que ejecuta ejecutables en paquetes ROS. rosbash admite las mismas funcionalidades para zsh y tcsh , en menor medida.

roslaunch ^{[ 77 ]} es una herramienta que se utiliza para iniciar múltiples nodos ROS tanto local como remotamente, así como para configurar parámetros en el servidor de parámetros de ROS. Los archivos de configuración de roslaunch , escritos en XML, pueden automatizar fácilmente un proceso complejo de inicio y configuración mediante un único comando. Los scripts de roslaunch pueden incluir otros scripts de roslaunch , iniciar nodos en máquinas específicas e incluso reiniciar procesos que se detengan durante la ejecución.

• actionlib ^{[ 78 ]} proporciona una interfaz estandarizada para interactuar con tareas interrumpibles.
• nodelet ^{[ 79 ]} proporciona una forma de ejecutar múltiples algoritmos en un solo proceso.
• rosbridge ^{[ 80 ]} proporciona una API JSON para funcionalidades de ROS para programas que no son de ROS.

• slam toolbox ^{[ 81 ]} proporciona un sistema completo de localización y mapeo simultáneos (SLAM) y localización en 2D.
• gmapping ^{[ 82 ]} proporciona un envoltorio para el algoritmo Gmapping de OpenSlam para SLAM.
• cartographer ^{[ 83 ]} proporciona algoritmos SLAM 2D y 3D en tiempo real desarrollados en Google .
• amcl ^{[ 84 ]} proporciona una implementación de localización adaptativa de Monte Carlo.

• La navegación ^{[ 85 ]} proporciona la capacidad de navegar un robot móvil en un entorno plano.

• MoveIt! ^{[ 86 ]} proporciona capacidades de planificación de movimiento para manipuladores robóticos . Su biblioteca de planificación predeterminada es la Open Motion Planning Library (OMPL) . ^{[ 87 ]}

• vision_opencv ^{[ 88 ]} es un metapackage que proporciona paquetes para integrar ROS con OpenCV .

• tf ^{[ 89 ]} proporcionó un sistema para representar, rastrear y transformar marcos de coordenadas hasta ROS Hydro, cuando fue descontinuado en favor de tf2 .
• tf2 ^{[ 90 ]} es la segunda generación de la biblioteca tf y proporciona las mismas capacidades para las versiones de ROS posteriores a Hydro.

• gazebo_ros_pkgs ^{[ 91 ]} es un metapackage que proporciona paquetes para integrar ROS con el simulador Gazebo .
• stage ^{[ 92 ]} proporciona una interfaz para el simulador de escenario 2D .

ROS-Industrial ^{[ 112 ]} es un proyecto de código abierto (licencia BSD (heredada)/Apache 2.0 (preferida)) que extiende las capacidades avanzadas de ROS a la automatización industrial y la robótica. En el entorno industrial, existen dos enfoques diferentes para programar un robot: mediante un controlador propietario externo, generalmente implementado con ROS, o mediante el lenguaje de programación nativo del robot. Por lo tanto, ROS puede considerarse el enfoque basado en software para programar robots industriales, en contraposición al enfoque clásico basado en controladores de robot.

El repositorio ROS-Industrial incluye interfaces para manipuladores industriales comunes, pinzas, sensores y redes de dispositivos. También proporciona bibliotecas de software para calibración automática de sensores 2D/3D, planificación de trayectorias/movimientos de procesos, aplicaciones como Scan-N-Plan, herramientas para desarrolladores como el complemento Qt Creator ROS y planes de estudio de capacitación específicos para las necesidades de los fabricantes. ROS-I cuenta con el respaldo de un consorcio internacional de miembros de la industria y la investigación. El proyecto comenzó como una iniciativa de colaboración entre Yaskawa Motoman Robotics, Southwest Research Institute y Willow Garage para respaldar el uso de ROS para la automatización de la fabricación, y el repositorio de GitHub fue fundado en enero de 2012 por Shaun Edwards (SwRI). Actualmente, el consorcio está dividido en tres grupos; el Consorcio ROS-Industrial de América (liderado por SwRI y ubicado en San Antonio, Texas), el Consorcio ROS-Industrial de Europa (liderado por Fraunhofer IPA y ubicado en Stuttgart, Alemania) y el Consorcio ROS-Industrial de Asia Pacífico (liderado por el Centro de Tecnología y Remanufactura Avanzada (ARTC) y la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) y ubicado en Singapur).

El Consorcio apoya a la comunidad global de ROS-Industrial mediante la realización de capacitaciones en ROS-I, la prestación de soporte técnico y el establecimiento de la hoja de ruta futura para ROS-I, así como la realización de proyectos conjuntos precompetitivos con la industria para desarrollar nuevas capacidades de ROS-I. ^{[ 113 ]}

En noviembre de 2020, la NASA anunció que Blue Origin había sido seleccionada a través del Anuncio de Oportunidad de Colaboración (ACO) de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial para codesarrollar el Sistema Operativo de Robots Espaciales (Space ROS) junto con tres centros de la NASA. ^{[ 114 ]} El propósito de Space ROS es proporcionar un marco de software reutilizable y modular para sistemas espaciales robóticos y autónomos basado en ROS 2 que cumpla con los requisitos de garantía de seguridad y misión aeroespacial (como NPR 7150.2 y DO-178C). El proyecto fue formulado y liderado por Will Chambers , ^{[ 115 ]} el principal tecnólogo de robótica de Blue Origin en ese momento. En 2021, Blue Origin subcontrató la carga de trabajo de desarrollo de software a Open Robotics, que permaneció en el equipo hasta que el programa terminó en 2022. Space ROS es actualmente un proyecto comunitario abierto. ^{[ 116 ] [ 117 ]} PickNik Robotics y Open Source Robotics Foundation lideran actualmente el esfuerzo de Space ROS. ^{[ 118 ]}

• ABB , Adept, Fanuc , Motoman y Universal Robots son compatibles con ROS-Industrial . ^{[ 119 ]}
• Baxter ^{[ 120 ]} en Rethink Robotics , Inc.
• CK-9: kit de desarrollo de robótica de Centauri Robotics, compatible con ROS. ^{[ 121 ]}
• GoPiGo3: Robot educativo basado en Raspberry Pi, compatible con ROS. ^{[ 122 ]}
• HERB ^{[ 123 ]} fue desarrollado en la Universidad Carnegie Mellon en el programa de robótica personal de Intel.
• Husky A200: robot desarrollado (e integrado en ROS) por Clearpath Robotics ^{[ 124 ]}
• Nao ^{[ 125 ]} humanoide: El Laboratorio de Robots Humanoides de la Universidad de Friburgo ^{[ 126 ]} desarrolló una integración ROS para el humanoide Nao basada en una adaptación inicial de la Universidad de Brown ^{[ 127 ] [ 128 ]}
• PR1: robot personal desarrollado en el laboratorio de Ken Salisbury en Stanford ^{[ 129 ]}
• PR2: robot personal en desarrollo en Willow Garage ^{[ 130 ]}
• Plataforma de investigación robótica quirúrgica Raven II ^{[ 131 ] [ 132 ]}
• ROSbot: plataforma de robot autónomo de Husarion ^{[ 133 ]}
• Mano robótica de sombra: ^{[ 134 ]} una mano humanoide completamente diestra.
• ESCALERA I y II: ^{[ 135 ]} robots desarrollados en el laboratorio de Andrew Ng en Stanford
• Stretch: un manipulador móvil integrado de Hello Robot destinado a aplicaciones de asistencia. ^{[ 136 ] [ 137 ]}
• SummitXL: ^{[ 138 ]} robot móvil desarrollado por Robotnik , una empresa de ingeniería especializada en robots móviles, brazos robóticos y soluciones industriales con arquitectura ROS.
• UBR1: ^{[ 139 ] [ 140 ]} desarrollado por Unbounded Robotics, una empresa derivada de Willow Garage.
• Webots : simulador de robot que integra una interfaz de programación ROS completa. ^{[ 141 ]}

• BeagleBoard: el laboratorio de robótica de la Katholieke Universiteit Leuven , Bélgica ^{[ 142 ]} ha adaptado ROS a la Beagleboard .
• Raspberry Pi: imagen de Ubuntu Mate con ROS ^{[ 143 ]} por Ubiquity Robotics; guía de instalación para Raspbian; ^{[ 144 ]} Guía de instalación para ROS2 en Raspberry Pi. ^{[ 145 ]}
• Los procesadores ARM Sitara tienen soporte para el paquete ROS como parte del SDK oficial de Linux. ^{[ 146 ]}