ROSlink是由沙特蘇丹王子大學(xué)教授，同時也是硅步機器人研發(fā)總監(jiān)的Anis Koubaa博士首先提出來的。為了使大家了解ROSlink，從本期開始，我們將分三期對ROSlink進(jìn)行介紹。

  本期為第一期，主要介紹ROSlink的基本概念及ROSlink提出的背景和要解決的問題。

  作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一種新形式，機器人與互聯(lián)網(wǎng)的融合現(xiàn)在正成為一種新興趨勢。這種結(jié)合對于推動通過互聯(lián)網(wǎng)虛擬化、控制和監(jiān)控的新型云機器人應(yīng)用至關(guān)重要。ROSlink是一種將應(yīng)用機器人操作系統(tǒng)（ROS）的機器人與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的新協(xié)議。提出ROSlink背后的動機正是由于通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和控制機器人的ROS功能的欠缺。盡管ROS允許使用相同ROS主控器從工作站控制機器人，但這種解決方案不具有可擴(kuò)展性，且僅僅局限于局域網(wǎng)。近期工作中提出的解決方案依賴于集中式ROS主控器或機器人端Web服務(wù)器，同樣具有類似的限制性。受到MAVlink協(xié)議的啟發(fā)，本文提出的ROSlink協(xié)議通過云定義了機器人和終端用戶之間的輕量級異步通信協(xié)議。ROSlink利用代理云服務(wù)器將使用了ROS的機器人與用戶相連接，并允許他們之間的互連。ROSlink性能已在云上進(jìn)行測試，顯示較為高效可靠。

  1．簡介

  云機器人是機器人領(lǐng)域的一個新興趨勢，旨在通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和云計算技術(shù)來從兩個角度推廣機器人的應(yīng)用：（i）虛擬化：通過Web和Web服務(wù)技術(shù)提供對機器人的無縫鏈接，（ii）遠(yuǎn)程大腦：將密集型計算從機器人卸載到云資源，以克服機器人的計算、存儲及能量限制。

  如今，機器人操作系統(tǒng)（ROS）代表了開發(fā)機器人應(yīng)用的一個事實上的標(biāo)準(zhǔn)。ROS作為中間件，除了重復(fù)使用開源項目庫之外，還為硬件和機器人資源（如傳感器和執(zhí)行器）提供了幾個級別的軟件抽象。它的設(shè)計目的是降低開發(fā)大型服務(wù)機器人的難度，降低機器人軟件構(gòu)建的復(fù)雜性。盡管ROS廣泛使用于開發(fā)服務(wù)機器人應(yīng)用程序，但它缺乏通過互聯(lián)網(wǎng)對機器人進(jìn)行控制和監(jiān)視的原生支持。在同一局域網(wǎng)（LAN）上的遠(yuǎn)程工作站中編寫ROS節(jié)點（即程序）是可行的，機器人機器和工作站都使用ROS主站統(tǒng)一資源標(biāo)識符（URI），但是控制來自遠(yuǎn)程位置的ROS節(jié)點具有挑戰(zhàn)性。為解決這個局限性，已經(jīng)有許多研究工作提出了對基于客戶端-服務(wù)器架構(gòu)的關(guān)注。

  解決該問題的一項里程碑式的工作是ROSBridge協(xié)議。它基于安裝在機器人端的Websockets服務(wù)器，該服務(wù)器允許根據(jù)ROS主題和服務(wù)發(fā)送機器人的內(nèi)部狀態(tài)，并接收命令到Websockets客戶端來進(jìn)行處理。這種方法實現(xiàn)了ROS與互聯(lián)網(wǎng)的有效結(jié)合; 然而，事實上Websockets服務(wù)器在機器人機器上的運行要求機器人擁有一個公共IP地址以供Websockets客戶端訪問，并不對所有機器人可行，或者在同一局域網(wǎng)上。當(dāng)機器人位于網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）域后面時，也可以使用NAT，但這種選擇在實際部署中可能會很麻煩。在文獻(xiàn)中作者提出了一種Web服務(wù)ROS，它可以在機器人中定義一個Web服務(wù)服務(wù)器，可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問。但是這個方法具有與ROSBridge一樣的局限性，即服務(wù)器位于機器人端。

  本文填補了這一空白，并提出了一種通信協(xié)議ROSlink，該協(xié)議克服了上述的限制，（i）實現(xiàn)了機器人端客戶端的規(guī)范，（ii）用了一個云服務(wù)器，即位于公共IP服務(wù)器機器上的代理服務(wù)器。這個想法受到MAVlink協(xié)議的啟發(fā)，機器人通過網(wǎng)絡(luò)客戶端將其數(shù)據(jù)以序列化的消息發(fā)送到作為服務(wù)器的地面站，地面站接收這些消息、對其進(jìn)行處理并將控制命令發(fā)送給機器人。這樣，機器人就不再需要一個公共的IP地址，仍然可以在代理服務(wù)器后訪問。

  本文主要完成了兩項工作。首先，我們提出ROSlink這種新的通信協(xié)議，它定義了一種三層架構(gòu)。ROSlink Bridge客戶端在機器人端運行；ROSlink Proxy作為地面站的服務(wù)器，以及通過ROSlink協(xié)議與機器人進(jìn)行交互的用戶端的客戶端應(yīng)用程序。其次，通過對地面Turtlebot機器人和AR.Parrot無人機進(jìn)行實驗研究，驗證了我們提出的ROSlink協(xié)議。我們展示了ROSlink的有效性和可行性。

  2 背景和目標(biāo)

  2.1 背景

  本文研究的動機是為了將ROS與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行整合。ROS本身不支持通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和控制機器人。事實上，如圖1（a）所示，ROS允許使用相同的ROS主控器從工作站控制機器人，但該解決方案不具有可擴(kuò)展性，而局限于在局域網(wǎng)使用。典型的情況是每個機器人啟動自己的ROS主控節(jié)點，如果用戶將自己的ROS網(wǎng)絡(luò)設(shè)置配置為使用機器人正在運行的同一ROS主控，則用戶可以從他們的工作站控制機器人。這種標(biāo)準(zhǔn)方法本身不允許通過互聯(lián)網(wǎng)控制機器人，因為機器人通常沒有公共IP地址。在某些情況下可以考慮在NAT后面使用端口轉(zhuǎn)發(fā)，但在其他情況下可能無法實現(xiàn)，例如通過3G / 4G進(jìn)行連接。

  一種可能的解決方案如圖1（b）所示，是對所有機器人使用一個ROS主節(jié)點，主節(jié)點在具有互聯(lián)網(wǎng)公共IP地址的中央服務(wù)器上運行。所有用戶都將連接到相同的ROS 主控器，并通過發(fā)布和訂閱它們的主題和服務(wù)來訪問任何一臺機器人。然而這個解決方法也有幾項局限。第一，一些ROS主題、服務(wù)和節(jié)點可能因具有相同名稱而互相沖突。這就需要我們在設(shè)計ROS節(jié)點、服務(wù)和主題的命名空間（namespace）時小心謹(jǐn)慎，避免沖突。機器人數(shù)量較多時，這個方法會變得很復(fù)雜。第二個問題是缺乏可擴(kuò)展性，當(dāng)給定時間綁定了多個機器人時，ROS主控器可能會過載。除了考慮到一些ROS主題太占帶寬這個已知的網(wǎng)絡(luò)問題外，還沒有一個可行的解決方案能將個人用戶映射到他們的機器人，因為所有主題對所有用戶都是可見的。

  我們的方法是設(shè)計ROSlink，一種輕量級通信協(xié)議，靈感來自MAVlink ，允許ROS機器人與其用戶進(jìn)行基于云的交互，如圖1（c）所示。我們的想法是在ROS頂部為每一個機器人添加一個ROSlink Bridge（橋），這樣該橋可以使用JSON序列化消息發(fā)送機器人的所有狀態(tài)。ROSlink Bridge是一個ROS節(jié)點，用于訪問ROS中所有感興趣的主題和服務(wù)，并將選定的信息發(fā)送到使用JSON格式序列化的ROSlink消息中。這些消息被發(fā)送到ROSlink云代理服務(wù)器，該服務(wù)器處理消息并將消息轉(zhuǎn)發(fā)給機器人的單個用戶和/或多個用戶。另外，用戶通過使用ROSlink JSON消息的ROSlink云代理向機器人發(fā)送命令，命令由ROSlink Bridge進(jìn)行處理，從而執(zhí)行相應(yīng)的ROS操作?；谠频腞OSlink方法具有三個主要優(yōu)點：（1）獨立于機器人的ROS主控器節(jié)點，（2）確保用戶和機器人之間通過云無縫通信，（3）提供對機器人、用戶和底層服務(wù)的有效管理。

  (a) 標(biāo)準(zhǔn)方法：ROS機器人和ROS用戶之間的典型連接。

  用戶連接到機器人的ROS主控器，控制和監(jiān)視其狀態(tài)，通常在一個局域網(wǎng)內(nèi)。

  (b) 中心方法：所有的機器人和用戶都連接到了一個中心ROS主控器。

  此方法不具有可擴(kuò)展性，無法對機器人和用戶提供有效管理。

  (c) ROSlink方法：基于云的解決方法，ROS機器人和用戶通過云進(jìn)行交互。

  ROSlink云給用戶和機器人提供管理、面向服務(wù)的接口和實時數(shù)據(jù)流服務(wù)。

  圖1：ROS操作方法

  2.2 綜述

  ROSlink的主要目標(biāo)是通過互聯(lián)網(wǎng)控制和監(jiān)控使用ROS的機器人。 在文獻(xiàn)中，大多數(shù)相關(guān)工作集中在使用雙層客戶端/服務(wù)器方法上，服務(wù)器在機器人中實現(xiàn)，客戶端在用戶應(yīng)用程序中實現(xiàn)。事實上，這些研究大多是基于ROSBridge和ROSJS框架的實例來構(gòu)建遙控機器人。ROSBridge代表了ROS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制機器人可以遠(yuǎn)程控制的里程碑。然而，這種方法的缺點是：（1）以機器人為中心的方法，由于服務(wù)器集中在機器人本身，所以限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；（2）在互聯(lián)網(wǎng)上部署非常困難，因為當(dāng)機器人位于局域網(wǎng)內(nèi)時，需要擁有公共IP地址或通過NAT轉(zhuǎn)發(fā)端口訪問。

  為了克服這些局限性，我們提出采用三層客戶機/服務(wù)器模型的ROSlink，其中客戶端在機器人和用戶中實現(xiàn)，而服務(wù)器位于公共領(lǐng)域并充當(dāng)代理將機器人與其用戶相連。 ROSlink克服了上述的兩個問題。首先，機器人內(nèi)部不再設(shè)服務(wù)器，因此不再采用以機器人為中心的方法。相比之下，機器人通過ROSlink Bridge組件實現(xiàn)客戶端，ROSlink Bridge組件是一個ROS節(jié)點，一方面與ROS進(jìn)行交互，另一方面通過網(wǎng)絡(luò)接口（UDP，TCP， 或Websockets）向外部發(fā)送ROS數(shù)據(jù)。此外，該模型的ROSlink服務(wù)器端在一個名為ROSlink 代理的公共服務(wù)器中實現(xiàn)，該服務(wù)器充當(dāng)機器人和用戶之間的中介。機器人和用戶向代理服務(wù)器發(fā)送消息，代理服務(wù)器相應(yīng)地將其發(fā)送給另一端。

  ROSlink通過定義通信協(xié)議（受MAVlink協(xié)議啟發(fā)）定義ROS的完整抽象，該協(xié)議通過ROS主題/服務(wù)提供有關(guān)機器人的所有信息，而不會將ROS生態(tài)系統(tǒng)暴露給用戶。用戶不需要熟悉ROS就能夠使用ROSlink為機器人發(fā)送命令。 ROSlink為用戶與機器人進(jìn)行交互定義了一組界面，以及一組用在它們之間進(jìn)行交換的消息。

  ROSlink消息是基于ROS主題/服務(wù)參數(shù)構(gòu)建的，用以獲取或提交數(shù)據(jù)來執(zhí)行操作。消息用JSON字符串表示。JSON格式可選用于數(shù)據(jù)交換，因為它是與平臺及語言無關(guān)的數(shù)據(jù)表示格式。此外，與XML相比，它是一個更輕量級的解決方案，更適合于資源受限和帶寬受限的平臺。這將允許客戶端應(yīng)用程序開發(fā)人員選擇任何編程語言（C ++、Java、Javascript、Python等）來開發(fā)與ROSlink交互的客戶端應(yīng)用程序，來命令和監(jiān)視使用ROS的機器人。

  總之，ROSlink不同于以前的工作，特別是與ROSBridge在以下這些方面的區(qū)別：

  -ROSlink在機器人和用戶應(yīng)用程序中實現(xiàn)客戶端，并在中間代理中實現(xiàn)服務(wù)器，而ROSBridge在機器人中實現(xiàn)Websocket服務(wù)器，在用戶應(yīng)用程序中實現(xiàn)Websocket客戶端。

  -ROSBridge基于Websocket協(xié)議，而ROSlink可以使用任何傳輸層協(xié)議（TCP，UDP和Websockets）來實現(xiàn)。在本文中，我們使用UDP和Websockets接口來實現(xiàn)ROSlink。

  -ROSlink不像以前的研究那樣依賴于ROSBridge，而是在ROS和非ROS用戶之間定義自己的通信協(xié)議。