CN109159125A - 基于ros***机器人的云服务*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于ROS操作***机器人的云服务***，桥接器依据通讯协议提供ROS操作***与云端代理服务器、远程客户端的通讯接口；云端代理服务器与桥接器进行通讯，得到通讯消息，令通讯消息转发至远程客户端；云端代理服务器与远程客户端进行通讯，得到控制消息，令控制消息转发至桥接器；远程客户端接收通讯消息，得到机器人的状态信息；远程客户端发送控制消息至云端代理服务器，控制机器人活动；云端克隆体接收通讯消息，执行密集型运算，得到运算结果，将运算结果发送至云端代理服务器。采用三层的客户/服务器模型，避免以机器人为中心，实现对机器人在不具有公共IP地址的情况下完成网络远程监控。

Description

基于ROS***机器人的云服务***
技术领域
本发明涉及机器人技术，具体地，涉及一种基于ROS***机器人的云服务***，尤其是涉及一种用于远程监控基于ROS***机器人的云服务***。
背景技术
机器人操作***ROS(Robot Operating System)代表了机器人应用开发的事实标准。ROS作为中间件，为硬件和资源提供了几个级别的软件抽象概念，降低机器人软件构建的复杂性。虽然ROS广泛用于开发服务机器人的应用程序，但ROS缺乏通过互联网控制和监视机器人的原生支持。而机器人与物联网概念相结合，通过互联网远程与机器人进行交互，能够最大限度的释放机器人的应用潜能。其基于的云机器人技术是机器人技术的一个新兴趋势需求，旨在利用物联网和云计算技术从两个维度推动机器人的应用，通过Web服务技术提供对机器人的远程无缝访问；并利用云端作为机器人的远程大脑，以克服机器人的计算、存储和能量限制。
目前虽然ROS广泛用于开发机器人的应用程序，但原生的ROS缺乏通过互联网远程控制和监视机器人的支持。尽管可以在同一局域网上的计算单元中编写ROS节点，但其中机器人都必须使用唯一的ROS主节点定义的统一资源标识符，此方案局限于局域网且没有扩展性。典型情况下，每个机器人都会启动自己的ROS主节点，多个机器人在同一网络中不能使用单一的ROS主节点。
目前也有若干种方法通过网络控制和监视支持ROS的机器人。在目前已有的工作中，大多数相关工作主要集中在使用客户端/服务器方法，而服务器在机器人中实现，客户端在应用程序中实现，如基于ROSBridge和ROSJS框架的应用来构建可远程控制的机器人。ROSBridge可实现对支持ROS的远程操作机器人的远程控制，然而，这种方法的缺点是以机器人为中心的方法，当服务器在机器人自身时，它限制了***的可扩展性，因为机器人需要具有公共IP地址才能完成在网络上的远程监控。由于机器人通常没有公共IP地址，因此该方法本身不允许通过网络控制机器人。
另一方面，ROS典型的运行在机器人嵌入式端。虽然机器人可以基于ROS让内部的多个计算单元分担其计算任务，但机器人的整体性能，依然受到机器人内部的所有计算资源的总和的限制。机器人访问的信息量受限于其处理能力，存储空间以及其携带的传感器的数量和类型，从而限制了其学习能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ROS操作***机器人的云服务***。
根据本发明提供的基于ROS操作***机器人的云服务***，包括桥接器、云端代理服务器、远程客户端；桥接器依据通讯协议提供ROS操作***与云端代理服务器、远程客户端的通讯接口；云端代理服务器与桥接器进行通讯，得到通讯消息，令通讯消息转发至远程客户端；云端代理服务器与远程客户端进行通讯，得到控制消息，令控制消息转发至桥接器；远程客户端接收通讯消息，得到机器人的状态信息；远程客户端发送控制消息至云端代理服务器，控制机器人活动。
优选地，所述基于ROS操作***机器人的云服务***，还包括云端克隆体，所述云端克隆体接收通讯消息，执行密集型计算，得到运算结果，将运算结果发送至云端代理服务器。
优选地，所述桥接器部署在机器人内部，所述云端代理服务器部署在云端。
优选地，所述通讯接口主要包括ROS读取接口、ROS解析接口；ROS读取接口是从ROS主题或服务的消息中读取数据，根据通讯协议形成JSON格式序列化数据，发送JSON格式序列化数据；ROS解析接口是接收JSON格式序列化数据，将JSON格式序列化数据进行反序列化解析，得到控制命令，执行控制命令中的任一项或任多项命令。
优选地，所述通讯协议主要采用UDP传输协议和Websockets传输协议。
优选地，所述通讯消息主要包括机器人内部状态信息，所述机器人内部状态信息主要包括位置、方向、电池电量。
优选地，所述控制消息主要包括执行操作命令，所述执行操作命令主要包括移动、执行任务、前往目标位置中的任一项或任多项命令。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用三层的客户/服务器模型，其中客户端在机器人和远程应用中实现，而服务器位于云端并充当代理将机器人与它们的使用者连接起来，避免以机器人为中心，实现对机器人在不具有公共IP地址的情况下完成网络远程监控；
2、通过定义通信协议完成ROS的抽象概念，该协议通过ROS主题/服务提供有关机器人的所有信息，而不会向远程应用暴露ROS的内部情况；
3、ROSClone的消息基于ROS主题/服务的参数构建，消息表示为JSON格式的字符串，独立于平台且与语言无关的,与XML相比是一种更轻量级的解决方案，允许远程应用客户端基于任何编程语言来开发；
4、ROSClone提供了机器人与云端克隆体之间的交互机制，能够将计算密集型的任务加载到云端执行。机器人只需要具备必要的传感器，执行器和基本运算能力，以实现实时动作，硬件更易于维护。同时机器人可以通过获取云端数据库的信息和知识获取大量数据。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的***框架示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于ROS操作***机器人的云服务***，包括桥接器、云端代理服务器、远程客户端；桥接器依据通讯协议提供ROS操作***与云端代理服务器、远程客户端的通讯接口；云端代理服务器与桥接器进行通讯，得到通讯消息，令通讯消息转发至远程客户端；云端代理服务器与远程客户端进行通讯，得到控制消息，令控制消息转发至桥接器；远程客户端接收通讯消息，得到机器人的状态信息；远程客户端发送控制消息至云端代理服务器，控制机器人活动。
具体地，所述基于ROS操作***机器人的云服务***，还包括云端克隆体，所述云端克隆体接收通讯消息，执行密集型计算，得到运算结果，将运算结果发送至云端代理服务器。
具体地，所述桥接器部署在机器人内部，所述云端代理服务器部署在云端。
具体地，所述通讯接口主要包括ROS读取接口、ROS解析接口；ROS读取接口是从ROS主题或服务的消息中读取数据，根据通讯协议形成JSON格式序列化数据，发送JSON格式序列化数据；ROS解析接口是接收JSON格式序列化数据，将JSON格式序列化数据进行反序列化解析，得到控制命令，执行控制命令中的任一项或任多项命令。
具体地，所述通讯协议主要采用UDP传输协议和Websockets传输协议。
具体地，所述通讯消息主要包括机器人内部状态信息，所述机器人内部状态信息主要包括位置、方向、电池电量。
具体地，所述控制消息主要包括执行操作命令，所述执行操作命令主要包括移动、执行任务、前往目标位置中的任一项或任多项命令。
本发明的云服务***是一套位于云上的ROSClone***，是一个三层的客户/服务器模型。其中客户端在机器人和远程应用中实现，而服务器位于云端并充当代理将机器人与它们的使用者连接起来，服务器端在名为ROSClone代理服务器的公共可用的云端中实现，该服务器充当机器人和应用之间的中介，机器人和应用向ROSClone代理服务器发送消息，代理服务器将这些消息转发给另一方。远程监控程序可以远程访问无需公共IP的机器人。机器人内部不再有服务器，因此它不再遵循以机器人为中心，避免机器人的可扩展性受限。远程监控程序可以远程访问无需公共IP的机器人，这样通过互联网对机器人进行虚拟化、实现远程控制和监视。通过定义一个通信协议完成ROS的抽象概念，不会向远程应用暴露ROS的内部情况。在机器人内部的ROSClone桥接器接受远端的消息，并转化成机器人内部的ROS主题/服务信息。ROSClone***提供了机器人与云端克隆体之间的交互机制，利用轻量级异步通信协议，将支持ROS的机器人与应用相连接，并实现机器人在云端的克隆。这样能够将计算密集型的任务加载到云端执行，利用云端作为机器人的远程大脑，以克服机器人的计算、存储和能量限制。
本发明通过轻量级的通信协议，允许ROS机器人在云端建立其克隆体，再进一步与远程控制程序或其它机器人间进行基于云的交互。在ROS的基础上为每个机器人添加一个ROSClone桥接器，此桥接器使用JSON序列化消息发送所有机器人的状态。ROSClone桥接器是一个机器人内部ROS的节点，此节点可以访问ROS中感兴趣的所有主题和服务，并在ROSClone消息中以JSON格式序列化发送选定的信息，这些消息被发送到ROSClone云端代理服务器。云端代理服务器处理消息并将它们转发给远程监控程序或其它协同的机器人。此外，云端应用程序通过ROSClone云代理服务器使用ROSClone JSON消息向机器人发送命令，这些消息稍后由机器人上的ROSClone桥接器处理，从而执行相应的ROS操作。ROSClone桥接器是***的主要组成部分，它作为机器人操作***ROS和通讯协议之间的接口，主要提供两个功能：(1)从ROS主题和服务的消息中读取数据，根据通讯协议规范以JSON格式序列化数据，并将数据发送到代理服务器或客户端应用程序；(2)接收JSON序列化数据并从JSON字符串反序列化，解析命令，并执行命令。ROSClone代理服务器充当ROSClone桥接器(嵌入在机器人中)和云端机器人克隆体等应用程序之间的代理服务器，它的作用是通过ROSClone桥接器将应用程序接入到支持ROS的机器人。ROSClone代理器主要是机器人和云端程序之间消息的转发器，它允许云端克隆体更新机器人状态，并将用户的控制命令转发给机器人。此外，ROSClone代理服务器与云端组件进行交互，维护和管理机器人和用户列表，创建映射，并执行所有管理功能，包括安全性，服务质量监控等。ROSClone客户端应用程序基本上代表了机器人的控制和监视的应用。机器人的状态监控来自于ROSClone通讯消息，并且它通过ROSClone消息发送命令来控制机器人活动。
为了在云服务***的不同部分之间进行交互，即在ROSClone桥接器，ROSClone代理服务器和ROSClone客户端应用程序之间通讯，设计专门的ROSClone通信协议。ROSClone通信协议主要基于两点：(1)在用户，云和机器人之间进行通信的传输协议设计；(2)消息规范的设计及其基于JSON格式的序列化与反序列化。
ROSClone桥接器，ROSClone代理服务器和ROSClone客户端都使用网络接口进行通信。在实现中，考虑使用UDP和Websockets两种传输协议。机器人将实时传输内部状态(例如位置，里程，速度等)到ROSClone代理服务器，再进一步发送到ROSClone云端克隆体和ROSClone客户端应用。ROSClone通信协议中定义的消息是基于JSON格式的字符串，包含有关命令及其参数的信息。基于交换的消息类型，定义了一组支持的消息格式，并可以根据需求轻松扩展。消息可分为两种类型：(1)状态消息，这些是机器人发送的消息，主要为有关机器人内部状态的信息，包括其位置，方向，电池电量等。(2)命令消息，这些是克隆体和客户端应用程序发送给机器人的消息，主要为使机器人执行某些操作的命令，例如移动，执行任务，前往目标位置等。消息和命令的类型示例如下：心跳消息：机器人定期发布消息以明确其为激活状态；运动消息：在机器人任务中，明确机器人在某个特定时间的位置和运动参数(即线性和角速度)；传感器消息：若干种传感器消息来交换机器人和用户之间的数据如IMU，激光扫描仪，相机图像，GPS坐标，执行器状态等；动作命令：在基于ROS的机器人导航，需要将某些命令发送给机器人，指定了不同类型的命令以使机器人按需行动。可以基于用户的要求和来自机器人的可用信息来设计其他类型的消息。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，包括桥接器、云端代理服务器、远程客户端；
桥接器依据通讯协议提供ROS操作***与云端代理服务器、远程客户端的通讯接口；
云端代理服务器与桥接器进行通讯，得到通讯消息，令通讯消息转发至远程客户端；云端代理服务器与远程客户端进行通讯，得到控制消息，令控制消息转发至桥接器；
远程客户端接收通讯消息，得到机器人的状态信息；远程客户端发送控制消息至云端代理服务器，控制机器人活动。
2.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，还包括云端克隆体，所述云端克隆体接收通讯消息，执行密集型计算，得到运算结果，将运算结果发送至云端代理服务器。
3.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，所述桥接器部署在机器人内部，所述云端代理服务器部署在云端。
4.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，所述通讯接口主要包括ROS读取接口、ROS解析接口；
ROS读取接口是从ROS主题或服务的消息中读取数据，根据通讯协议形成JSON格式序列化数据，发送JSON格式序列化数据；
ROS解析接口是接收JSON格式序列化数据，将JSON格式序列化数据进行反序列化解析，得到控制命令，执行控制命令中的任一项或任多项命令。
5.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，所述通讯协议主要采用UDP传输协议和Websockets传输协议。
6.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，所述通讯消息主要包括机器人内部状态信息，所述机器人内部状态信息主要包括位置、方向、电池电量。
7.根据权利要求1所述的基于ROS操作***机器人的云服务***，其特征在于，所述控制消息主要包括执行操作命令，所述执行操作命令主要包括移动、执行任务、前往目标位置中的任一项或任多项命令。
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