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로봇 상태 머신 설계를 위한 ROS SMACH 활용 가이드

issuefeed1 2025. 4. 18. 07:36

로봇 상태 머신 구현 시 ROS SMACH 활용하기

로봇 기술은 최근 몇 년 간 급격히 발전하였으며, 그 중 하나는 상태 머신(state machine) 개념의 활용입니다. 상태 머신은 로봇의 행동을 정의하고 이를 관리하는 중요한 요소로 기능합니다. 본 글에서는 ROS (Robot Operating System) 환경에서 SMACH(SMach for Robot) 라이브러리를 활용하여 로봇 상태 머신을 구현하는 방법에 대해 설명할 것입니다. 이 글은 초보자를 대상으로 하며, ROS SMACH의 기본 개념, 설계 방법, 및 실제 예제를 통해 이해를 돕고자 합니다.

상태 머신과 그 필요성

상태 머신은 특정 조건에서 상태를 전환하며, 각 상태에서 수행할 동작을 정의하는 시스템입니다. 로봇 프로그램에서 상태 머신은 로봇의 다양한 동작 시나리오를 관리하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 로봇이 탐색, 의사결정, 행동 등을 처리할 때 상태 머신 알고리즘은 이를 체계적으로 관리합니다.

상태 머신의 기본 구성 요소

상태(State): 로봇의 현재 상황을 나타냅니다.
전환(Transition): 한 상태에서 다른 상태로의 이동을 정의합니다.
동작(Action): 각 상태에서 수행되는 구체적인 동작입니다.

ROS와 SMACH 소개

ROS는 로봇 소프트웨어 개발을 위한 오픈 소스 프레임워크로, 다양한 로봇 애플리케이션을 구축하는 데 사용됩니다. SMACH는 ROS의 상태 머신 라이브러리로, 로봇 상태 머신을 쉽고 체계적으로 구현할 수 있도록 도와줍니다. SMACH는 파이썬에서 사용할 수 있으며, ROS와 깊은 통합을 제공합니다.

SMACH의 주요 특징

상태 정의 및 전환의 간편한 구현
상태 머신 시각화 도구 제공
하위 상태 머신을 지원하여 복잡한 시스템 관리 용이

ROSMACH 설치하기

SMACH를 사용하기 위해서는 먼저 ROS와 SMACH를 설치해야 합니다. 다음은 설치 방법입니다.

ROS 설치

ROS는 오픈 소스 프로젝트이므로, 공식 웹사이트에서 설치 패키지를 다운로드할 수 있습니다. 아래 단계에 따라 설치를 진행합니다.

운영 체제에 맞는 ROS 배포판을 선택합니다.
터미널을 열고 아래 명령어를 입력하여 설치합니다.

sudo apt update
sudo apt install ros--desktop-full

여기서 는 사용하려는 ROS 버전을 나타냅니다. 예를 들어, "noetic" 마다 입력할 수 있습니다.

SMACH 설치

SMACH는 ROS의 패키지 관리 시스템을 통해 설치할 수 있습니다. 터미널에서 다음 명령어를 실행합니다.

sudo apt install ros--smach

SMACH와 관련된 추가 패키지도 설치할 수 있습니다.

sudo apt install ros--smach-msgs

SMACH로 상태 머신 구현하기

SMACH를 사용하여 로봇 상태 머신을 구현하는 기본 과정은 다음과 같습니다.

상태 정의하기
상태 머신 생성 및 상태 추가하기
상태 전환 정의하기
상태 머신 실행하기

1. 상태 정의하기

각 상태는 SMACH 상태 클래스로 정의해야 합니다. 아래의 예제는 기본 상태를 정의하는 방법을 보여줍니다.

import smach

class State1(smach.State):
    def init(self):
        smach.State.init(self, outcomes=['outcome1'])
    
    def execute(self, userdata):

상태 로직 포함

        return 'outcome1'

2. 상태 머신 생성 및 상태 추가하기

상태 머신을 생성한 후, 정의한 상태를 추가합니다.

sm = smach.StateMachine(outcomes=['outcome'])
with sm:
    smach.StateMachine.add('STATE1', State1(), 
                           transitions={'outcome1':'STATE2'})

3. 상태 전환 정의하기

상태 전환은 각 상태가 완료된 후 어떤 상태로 이동할지를 설정합니다. 상태 전환은 위의 예제에서 'transitions'를 통해 정의되었습니다.

4. 상태 머신 실행하기

상태 머신을 실행하는 방법은 다음과 같습니다.

outcome = sm.execute()

실제 예제: 간단한 로봇 상태 머신

이제 실제 로봇 상태 머신 예제를 통해 SMACH의 사용법을 익혀보겠습니다. 간단한 로봇 애플리케이션으로 간단한 탐색 및 작동을 구현해보겠습니다.

예제 설명

이 예제에서는 로봇이 장애물을 탐지하고, 피하는 동작을 수행하는 상태 머신을 구성할 것입니다. 상태는 "탐색", "장애물 탐지", "장애물 피하기"로 나뉘어집니다.

import smach
import smach_ros

class Searching(smach.State):
    def init(self):
        smach.State.init(self, outcomes=['detected_obstacle'])
    
    def execute(self, userdata):

탐색 로직

        return 'detected_obstacle'

class DetectingObstacle(smach.State):
    def init(self):
        smach.State.init(self, outcomes=['avoided_obstacle'])
    
    def execute(self, userdata):

장애물 탐지 로직

        return 'avoided_obstacle'

class AvoidingObstacle(smach.State):
    def init(self):
        smach.State.init(self, outcomes=['backtosearch'])
    
    def execute(self, userdata):

장애물 피하기 로직

        return 'backtosearch'

sm = smach.StateMachine(outcomes=['completed'])
with sm:
    smach.StateMachine.add('SEARCHING', Searching(), 
                           transitions={'detectedobstacle':'DETECTINGOBSTACLE'})
    smach.StateMachine.add('DETECTING_OBSTACLE', DetectingObstacle(), 
                           transitions={'avoidedobstacle':'AVOIDINGOBSTACLE'})
    smach.StateMachine.add('AVOIDING_OBSTACLE', AvoidingObstacle(), 
                           transitions={'backtosearch':'SEARCHING'})

outcome = sm.execute()

상태 머신 시각화

SMACH는 상태 머신의 시각화를 지원합니다. 포괄적이고 직관적인 시각화는 로봇의 상태 머신 설계를 이해하는 데 큰 도움이 됩니다. SMACH의 시각화 도구를 사용하여, 작성한 상태 머신을 시각적으로 확인할 수 있습니다.

sis = smachros.IntrospectionServer('servername', sm, '/SM_ROOT')
sis.start()

결론

이 글에서는 ROS SMACH를 사용하여 로봇 상태 머신을 구현하는 기본 개념과 절차를 소개했습니다. 상태 머신은 로봇의 행동을 매우 체계적으로 관리할 수 있게 해줍니다. SMACH를 통해 개발자는 복잡한 로봇 동작 프로세스를 효과적으로 설정하고 관리할 수 있습니다. 초보자를 위한 이 글이 여러분에게 도움이 되었기를 바라며, 로봇 상태 머신에 대한 연구와 실습을 지속적으로 이어가시길 바랍니다.