以科研項目為依托建設(shè)機(jī)器人操作系統(tǒng)實踐課程

王 帥， 張云洲， 吳成東

(東北大學(xué) 機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

1 建設(shè)機(jī)器人操作系統(tǒng)實踐課程的必要性

機(jī)器人技術(shù)被譽(yù)為當(dāng)代最高意義的自動化，將為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、思維方式和社會關(guān)系帶來新的變革，“機(jī)器人革命”有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點(diǎn)和重要增長點(diǎn)，對全球制造業(yè)格局具有極其深遠(yuǎn)的影響。美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)高度重視機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，紛紛將發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略。2015年5月國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》中，機(jī)器人領(lǐng)域位列十大重點(diǎn)領(lǐng)域的第二位[1]。推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的研究，已成為我國推進(jìn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要支點(diǎn)。

隨著機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提高，機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)及軟硬件開發(fā)的難度也迅速增加。為了使機(jī)器人的功能應(yīng)用在不同硬件平臺上，降低智能機(jī)器人開發(fā)中不必要的重復(fù)勞動，斯坦福大學(xué)與Willow Garage公司合作開發(fā)了機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system，簡稱ROS)[2]。ROS集成了現(xiàn)有大部分的開源軟件平臺(如OpenCV等)和機(jī)器人軟件應(yīng)用包(如SLAM和OMPL等)[3-4]，具有交叉編譯、開源、分布式管理等優(yōu)點(diǎn)，加強(qiáng)了機(jī)器人代碼的復(fù)用率和模塊化，提高了ROS的穩(wěn)定性與實時性，逐步成為機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的通用平臺[5]。

人才是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著產(chǎn)業(yè)需求的快速增加，機(jī)器人專業(yè)的人才培養(yǎng)成為國內(nèi)外教育界的重要使命。作為智能機(jī)器人的基礎(chǔ)性支撐技術(shù)，“機(jī)器人操作系統(tǒng)”正在快速進(jìn)入國內(nèi)外機(jī)器人專業(yè)的課堂，并成為核心課程之一。由于具有很強(qiáng)的專業(yè)性，對其教學(xué)和科研都帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。機(jī)器人操作系統(tǒng)具有版本更新快、內(nèi)容變動大、兼容性差等特點(diǎn)，如何將教學(xué)的相對穩(wěn)定性與科研的前沿性相結(jié)合是擺在教師面前的重大難題。相應(yīng)的機(jī)器人硬件平臺種類繁多，需要大量的人力、物力進(jìn)行調(diào)研、調(diào)試、維護(hù)和管理，必須進(jìn)行版本控制、機(jī)器人選型、操作系統(tǒng)與硬件平臺適配、操作系統(tǒng)定制與移植等，而這些工作都是以教學(xué)和科研的結(jié)合為基礎(chǔ)的[6]。因此，將科研項目中的實驗引入到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以讓學(xué)生直接接觸前沿知識和了解產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，充分發(fā)揮他們的主觀能動性，提高創(chuàng)新意識和理論聯(lián)系實際的能力[7]。

作為一門實踐性很強(qiáng)的嶄新課程，目前ROS實踐課程極為薄弱，非常缺乏必要的技術(shù)資料和相應(yīng)的實驗設(shè)施。本文以促進(jìn)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)為宗旨，以提高實踐課程教學(xué)質(zhì)量為核心，依托科研項目構(gòu)建了ROS實踐課程。

2 機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)課程現(xiàn)狀

無論是國內(nèi)或國外，機(jī)器人操作系統(tǒng)課程建設(shè)都處于起步階段，但發(fā)展很快。最早的相關(guān)課程從2010年開始，目前已經(jīng)有相當(dāng)多的課程涉及機(jī)器人操作系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外院校中約有30門課程不同程度地運(yùn)用了機(jī)器人操作系統(tǒng)，并逐步形成了圍繞其建設(shè)課程體系的趨勢。隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，該課程成為機(jī)器人專業(yè)的主干專業(yè)課程已是大勢所趨。

目前，國內(nèi)外高校開設(shè)的機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)課程，主要是以機(jī)器人或機(jī)器人編程課程為主，以ROS為主題并貫穿始終的課程寥寥可數(shù)。其中，美國斯坦福大學(xué)的機(jī)器人編程(robot programming)、華盛頓大學(xué)洛杉磯分校的移動機(jī)器人(mobile robotics)和日本東京大學(xué)的實時ROS機(jī)器人(RTM-ROS robotics)等課程，均在不同程度上涉及了機(jī)器人操作系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容[8]。瑞士蘇黎世理工學(xué)院的“機(jī)器人編程—ROS入門”(programming for robotics-introduction to ROS)課程，是明確提及ROS的一門課程，講授了ROS基本概念，介紹了用ROS實現(xiàn)的四足機(jī)器人自動檢測油氣裝置的科研應(yīng)用[9]。

隨著ROS在科研院所和企業(yè)的大范圍推廣，出現(xiàn)了很多短期課程和研討會。例如，機(jī)器人領(lǐng)域的頂級會議ICRA(IEEE international conference on robotics and automation)，多次舉辦實踐輔導(dǎo)課，針對機(jī)器人操作系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)和消息、信息感知、規(guī)劃和控制開展研討。這些研討會有效地推動了ROS課程由基本概念及原理講授向?qū)嵺`操作拓展，并且取得了很好的效果。

在國內(nèi)，ROS課程的建設(shè)剛剛開始，但已經(jīng)引起了相關(guān)高校的高度重視。2015年，國防科技大學(xué)在國內(nèi)首次為本科生開設(shè)ROS課程，采用課堂講授與實驗室操作同步進(jìn)行的方式，實驗課時數(shù)甚至超過了課堂講授課時數(shù)[10]。此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校也紛紛開設(shè)了相關(guān)課程。華東師范大學(xué)的ROS暑期學(xué)校已連續(xù)開辦了3屆，其中2017年暑期學(xué)校吸引了來自高校、科研院所和產(chǎn)業(yè)界的眾多知名人士，在國內(nèi)享有較高的知名度和影響力[11]。這些情況表明，國內(nèi)的ROS研究和應(yīng)用正在逐漸形成熱潮，亟需ROS實踐課程為教學(xué)提供支撐。因此，在當(dāng)前啟動ROS實踐課程建設(shè)，在時機(jī)上無疑是十分合適的。

3 實踐課程的實施方案

3.1 確定合理的ROS實踐課程建設(shè)思路，構(gòu)建層次化ROS實踐體系

ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)課程教學(xué)的目標(biāo)集中在“原理、技術(shù)、應(yīng)用”三個層面。其中，原理是了解ROS系統(tǒng)架構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制，技術(shù)是理解ROS系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，應(yīng)用是掌握ROS系統(tǒng)技能的途徑。三者相互關(guān)聯(lián)、相輔相成。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是促成三者系統(tǒng)融合、驗證和鞏固所學(xué)知識、綜合運(yùn)用知識的重要教學(xué)手段，也是技能訓(xùn)練和能力培養(yǎng)的必要途徑。

本文針對ROS課程實踐教學(xué)，依托教師科研項目，研究構(gòu)建層次化實踐課程體系的教學(xué)方法。充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)能力存在客觀差異的事實，循序漸進(jìn)地增強(qiáng)和提高學(xué)生對ROS的理解和實踐能力，既要有利于學(xué)生掌握獨(dú)立的知識點(diǎn)，也要有利于學(xué)生從整體上把握ROS操作系統(tǒng)的整體設(shè)計思想[12]。考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差異，結(jié)合ROS系統(tǒng)架構(gòu)及難度情況，把實踐課程的目標(biāo)劃分為4個等級，包括觀察型實驗、仿真型實驗、分析型實驗和設(shè)計型實驗(如圖1所示)，按照階梯式架構(gòu)逐步開展。

(1) 觀察型實驗。選擇教師實驗室具備的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)(如仿人機(jī)器人、Yumi機(jī)器人、旋翼無人機(jī)等)作為ROS觀察型實驗的觀察對象，讓學(xué)生觀察ROS功能程序的運(yùn)行過程及現(xiàn)象，從整體上理解ROS的基本原理，并初步認(rèn)識其整體設(shè)計思想。

(2) 仿真型實驗。結(jié)合科研項目設(shè)計ROS仿真實驗題目，分別模擬實現(xiàn)移動機(jī)器人運(yùn)動控制、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、機(jī)械手物品抓取等功能。在不涉及較復(fù)雜硬件操作的前提下，引導(dǎo)學(xué)生接觸ROS系統(tǒng)編程，并加深學(xué)生對ROS離散知識點(diǎn)的理解。

(3) 分析型實驗。結(jié)合典型的智能機(jī)器人功能，引導(dǎo)學(xué)生閱讀源代碼，從整體上把握其設(shè)計思想和基本設(shè)計框架。然后，對某些功能模塊進(jìn)行具體講解，并讓學(xué)生替換這些功能，進(jìn)而深刻理解ROS系統(tǒng)的具體功能。

(4) 設(shè)計型實驗。結(jié)合教師科研項目，選取具有明確目的和功能要求的小題目，供有專長和有興趣的學(xué)生結(jié)合所學(xué)的ROS知識進(jìn)行自主編程和硬件設(shè)計，按要求完成指定功能，并達(dá)到科研項目的指標(biāo)和參數(shù)，從而深入體會實際科研系統(tǒng)的需求及實現(xiàn)方法。

圖1 ROS實踐課程的階梯式架構(gòu)

3.2 結(jié)合ROS在科研項目中的應(yīng)用，合理設(shè)置ROS實踐課程的內(nèi)容

機(jī)器人操作系統(tǒng)是基于國際開源社區(qū)平臺建設(shè)的課程，應(yīng)該突出實踐課程的平臺化、基礎(chǔ)化特征，讓學(xué)生了解和掌握ROS的基本原理，并通過科研項目的實際案例，以點(diǎn)蓋面介紹ROS核心內(nèi)容，以及各功能模塊的實現(xiàn)原理和開發(fā)方法。

相應(yīng)地，ROS實踐課程的內(nèi)容大致設(shè)置為如下部分：

(1) ROS系統(tǒng)的概念與系統(tǒng)體驗。包括典型的ROS應(yīng)用系統(tǒng)、ROS系統(tǒng)架構(gòu)對智能機(jī)器人的支撐作用、ROS軟件開發(fā)環(huán)境，以及支撐性平臺如Ubuntu的安裝和操作等內(nèi)容，使學(xué)生了解機(jī)器人操作系統(tǒng)，掌握ROS的概念和基本工作原理。

(2) ROS系統(tǒng)的共性實驗。ROS是實現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)各項功能的軟件基礎(chǔ)，針對機(jī)器人操作系統(tǒng)內(nèi)核開展，包括ROS操作系統(tǒng)的安裝及實現(xiàn)、簡單節(jié)點(diǎn)的鍵盤控制、節(jié)點(diǎn)之間的通信、常用傳感器的使用等功能，使學(xué)生了解ROS的基本原理、組成方式、運(yùn)行機(jī)制等，培養(yǎng)學(xué)生在ROS平臺上的動手實踐能力。

(3) ROS的理論與功能接口。涉及ROS的坐標(biāo)變換、導(dǎo)航與視覺、路徑規(guī)劃、仿真器等基礎(chǔ)功能的實驗操作(含仿真軟件和實際操作)，使學(xué)生了解ROS的基本功能和常用模塊的實現(xiàn)原理及接口，從而具備基于ROS開展簡單無人系統(tǒng)實驗的能力。

(4) 結(jié)合科研項目的ROS功能設(shè)計與開發(fā)。面向?qū)嶋H應(yīng)用和教師科研課題，提取部分內(nèi)容作為設(shè)計ROS課程的實驗演示及實踐型題目，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)到的ROS知識實現(xiàn)一些基本的應(yīng)用，還能夠在一定程度上擴(kuò)充和完善ROS，與ROS開源社區(qū)密切交流，掌握最新動態(tài)。例如，針對地面移動機(jī)器人的任務(wù)需求，開展傳感器數(shù)據(jù)接口設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航規(guī)劃等內(nèi)容的設(shè)計，構(gòu)建和實現(xiàn)地面機(jī)器人環(huán)境建圖及搬運(yùn)的原型演示系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖2 基于ROS的激光雷達(dá)環(huán)境建圖

3.3 依托教師科研項目，為ROS實踐課程提供不同功能平臺

ROS的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的實踐性，需要引入合適的智能機(jī)器人系統(tǒng)作為實踐平臺。目前國內(nèi)外廣泛采用的TurtleBot移動機(jī)器人(見圖3(a))是典型的ROS實踐平臺，可以進(jìn)行運(yùn)動控制、環(huán)境感知等實驗。然而，TurtleBot機(jī)器人雖然“五臟俱全”，但由于功能簡單且缺乏實用性，僅能開展一些基礎(chǔ)性的實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探索能力及應(yīng)用技能。

結(jié)合開源代碼發(fā)展趨勢及實際科研體會，本文以“科學(xué)性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性、實用性”為指導(dǎo)思想，確立了以“兩個角度、三個層次”為切入點(diǎn)的ROS實踐平臺建設(shè)思路。從教學(xué)及科研兩個角度出發(fā)，設(shè)計和構(gòu)建三種不同層次的實踐平臺。

(1) 以TurtleBot搭載RGB-D傳感器作為ROS實踐課程的初級平臺，為ROS基本實驗提供支撐。

(2) 選擇實驗室擁有的代表性智能機(jī)器人系統(tǒng)，如Yumi、Kinova機(jī)械手等，如圖3(b)和圖3(c)所示，圍繞“原理、技術(shù)、應(yīng)用”的主線，剖析其實現(xiàn)過程和技術(shù)原理，要求學(xué)生修改ROS系統(tǒng)的部分代碼，并且在機(jī)器人系統(tǒng)上開展實際驗證。

(3) 結(jié)合實際需求構(gòu)造綜合性實驗題目(如“實現(xiàn)一個典型家庭環(huán)境的服務(wù)機(jī)器人”)，作為ROS高級開發(fā)(如分布式系統(tǒng))的實踐平臺，引導(dǎo)學(xué)生將ROS課程所涉及的知識模塊(如ROS系統(tǒng)架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)編程、數(shù)據(jù)通信編程、系統(tǒng)仿真)等有機(jī)融合。

通過上述不同層次的實踐平臺，讓學(xué)生通過開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)和對具體的技術(shù)實現(xiàn)方式進(jìn)行分析，對ROS的實現(xiàn)機(jī)理有了更加深入的了解和實際體會。讓學(xué)生不僅“知其然”，更能“知其所以然”，為實踐課程提供切實可信的結(jié)論性數(shù)據(jù)。在此過程中，開放相應(yīng)的實踐平臺，學(xué)生可隨時進(jìn)入實驗室設(shè)計、調(diào)試自己的ROS創(chuàng)新實驗，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的主觀能動性與創(chuàng)造性，并鼓勵學(xué)生將設(shè)計的程序直接與教師討論，從而有效地調(diào)動學(xué)生開展實驗的積極性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐能力的有效提升。

圖3 ROS實踐課程使用的機(jī)器人系統(tǒng)

3.4 建立ROS實踐課程的學(xué)習(xí)效果監(jiān)控機(jī)制

為有效引導(dǎo)學(xué)生圍繞ROS實踐課程的要求開展自主實踐、培養(yǎng)解決工程實踐問題的技能，避免抄襲、拷貝其他學(xué)生作業(yè)或下載其他網(wǎng)絡(luò)資源，本文參照科研項目的研究和答辯流程，實施基于過程化管理的實踐課程監(jiān)控機(jī)制，具體措施包括：

(1) 組建實驗小組，開展分工合作。每個小組由3、4名學(xué)生組成，并推薦一個項目小組長負(fù)責(zé)任務(wù)協(xié)調(diào)。為避免部分學(xué)生的“搭便車”現(xiàn)象，要求每個學(xué)生都要提供任務(wù)分工說明書，說明任務(wù)分工情況及與其他成員在功能模塊上的接口交互關(guān)系。在考核時，將根據(jù)任務(wù)分工說明書進(jìn)行檢查。

(2) 實行基于功能模塊的實踐質(zhì)量評估機(jī)制。分解科研項目中的功能模塊，融合“自頂向下”和“自底向上”的教學(xué)設(shè)計方法，課程初期在BB平臺上公布題目考查的功能點(diǎn)。檢查時，首先由學(xué)生現(xiàn)場演示功能運(yùn)行效果；然后現(xiàn)場匯報實驗思路、技術(shù)難點(diǎn)、實現(xiàn)方法、具體實現(xiàn)過程中遇到的技術(shù)問題及解決方法；在此基礎(chǔ)上，由教師隨機(jī)抽取功能實現(xiàn)代碼進(jìn)行現(xiàn)場提問。通過現(xiàn)場考查后，才可完善并提交實驗報告。

(3) 結(jié)合題目答辯的交流與考核。為鼓勵學(xué)生開展技術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)生之間相互借鑒，在實踐課程中組織題目答辯。每次答辯的講解時間為5～8 min，由各位成員分別介紹自己的工作進(jìn)展，并接受教師或?qū)W生的提問。

4 結(jié)語

在機(jī)器人專業(yè)快速興起的當(dāng)下，高校肩負(fù)著培養(yǎng)和造就適應(yīng)未來機(jī)器人時代人才的重任。由于機(jī)器人操作系統(tǒng)興起不久， ROS實踐課程的建設(shè)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

通過ROS操作系統(tǒng)實踐課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠系統(tǒng)地理解ROS系統(tǒng)架構(gòu)及思想，牢固掌握技術(shù)實現(xiàn)機(jī)理，切實提高實踐動手技能。ROS實踐課程的建設(shè)實現(xiàn)了以下目標(biāo)：

(1) 以國際開源ROS項目為實踐基礎(chǔ)，參照國際相關(guān)大學(xué)同類課程標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)器人操作系統(tǒng)的課程內(nèi)容、案例實驗和教學(xué)方法等進(jìn)行設(shè)計，并開展教學(xué)實踐，強(qiáng)化學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

(2) 建立教師科研項目與學(xué)生實踐課程之間的良性互動關(guān)系，將專業(yè)研究課題與平臺有效轉(zhuǎn)化為實踐課程的堅實支撐，實現(xiàn)人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合，有效支持機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)研究。

本文通過調(diào)研分析目前國內(nèi)外相關(guān)課程及實驗課程現(xiàn)狀，結(jié)合專業(yè)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐培養(yǎng)，研究依托科研項目的ROS實踐課程建設(shè)策略與具體方案，有效促進(jìn)了學(xué)生對于智能機(jī)器人體系架構(gòu)、先進(jìn)技術(shù)、軟硬件設(shè)計等內(nèi)容的掌握，營造出帶有示范性意義的、適合機(jī)器人專業(yè)方向的學(xué)生實踐課程建設(shè)新模式。