지금까지 우리는 로봇의 기본적인 구성 요소들과 이를 제어하는 프로그래밍 기법들을 하나씩 익혀왔습니다. 하지만 실제 로봇은 모터, 센서, 카메라, 내비게이션, 인공지능 등 수많은 부품과 소프트웨어 모듈이 유기적으로 연결되어 작동하는 매우 복잡한 시스템입니다. 이러한 복잡성을 효과적으로 관리하고 개발 효율을 높이기 위해 등장한 것이 바로 ROS (Robot Operating System)입니다. 이 글에서는 로봇 개발의 사실상 표준 프레임워크인 ROS의 기본 개념들을 심층적으로 다룹니다. ROS가 무엇인지부터 노드(Node), 토픽(Topic), 서비스(Service), 메시지(Message)와 같은 핵심 구성 요소들이 어떻게 상호작용하는지 이해하고, ROS가 왜 현대 로봇 개발에 필수적인 도구인지 명확히 알려드릴 것입니다.

로봇만들기

왜 ROS를 배워야 하는가? 로봇 개발의 복잡성 해결

로봇을 만들고 제어하는 과정에서 다음과 같은 문제에 직면할 수 있습니다.

  • 모듈 간의 통신: 모터 제어 모듈, 센서 데이터 수집 모듈, 내비게이션 모듈 등 서로 다른 기능을 하는 소프트웨어 모듈들이 어떻게 효율적으로 데이터를 주고받을까?
  • 재사용성: 이미 만들어 놓은 코드를 다른 로봇 프로젝트에서도 쉽게 재사용할 수 있을까?
  • 디버깅: 복잡한 시스템에서 오류가 발생했을 때 어디서 문제가 생겼는지 어떻게 파악할까?
  • 하드웨어 독립성: 특정 마이크로컨트롤러나 센서에 종속되지 않고 범용적으로 로봇을 개발할 수 있을까?
  • 개발 협업: 여러 개발자가 동시에 한 로봇 시스템을 개발할 때 어떻게 효율적으로 협업할 수 있을까?

이러한 문제들을 해결하기 위해 등장한 것이 바로 ROS (Robot Operating System)입니다. 이름에 'Operating System'이 붙어 있지만, 실제 운영체제라기보다는 리눅스(Ubuntu) 위에서 작동하는 로봇 개발을 위한 미들웨어 프레임워크에 가깝습니다. ROS는 다양한 로봇 부품과 알고리즘을 연결하고 통신할 수 있는 표준화된 방법을 제공하며, 재사용 가능한 도구와 라이브러리를 제공하여 개발을 가속화합니다.

ROS의 핵심 개념: 분산 처리 시스템

ROS의 가장 큰 특징은 분산 처리 시스템이라는 점입니다. 로봇의 각 기능(예: 모터 제어, 카메라 영상 처리, LiDAR 데이터 처리, 경로 계획)은 독립적인 작은 프로그램으로 실행되며, 이 프로그램들이 ROS가 제공하는 통신 메커니즘을 통해 서로 데이터를 주고받으며 협력합니다.

1. 노드 (Node)

  • 개념: ROS 시스템에서 실행되는 가장 작은 단위의 실행 가능한 프로그램입니다. 각각의 노드는 하나의 특정 기능을 수행합니다.
    • 예: motor_controller_node, lidar_driver_node, navigation_node, image_processing_node
  • 특징:
    • 독립적 실행: 각 노드는 독립적으로 시작하고 종료할 수 있습니다. 하나의 노드에 문제가 생겨도 전체 시스템이 멈추지 않고, 해당 노드만 다시 시작하면 됩니다.
    • 경량: 하나의 노드는 하나의 작은 기능만 담당하므로 가볍습니다.
    • 모듈화: 시스템을 기능별로 노드화하여 개발 및 유지보수가 용이합니다.

2. 마스터 (Master - roscore)

  • 개념: ROS 시스템의 중앙 허브 역할을 합니다. 모든 노드는 실행될 때 ROS 마스터에 자신을 등록하고, 서로 통신하기 위해 마스터에게 문의합니다.
  • 역할:
    • 노드 간의 이름 등록 및 검색.
    • 노드 간의 통신 정보(토픽, 서비스 등) 제공.
  • 실행: ROS 시스템을 시작할 때 가장 먼저 roscore 명령어를 실행하여 마스터를 구동해야 합니다.

3. 토픽 (Topic)

  • 개념: 데이터를 실시간으로 스트리밍하는 비동기 통신 채널입니다. 노드들은 토픽을 통해 데이터를 발행(Publish)하거나 구독(Subscribe)하여 서로 통신합니다.
    • 예: "/scan" (LiDAR 스캔 데이터), "/camera/image" (카메라 이미지), "/cmd_vel" (로봇 이동 명령)
  • 퍼블리셔 (Publisher): 특정 토픽에 데이터를 발행하는 노드.
  • 서브스크라이버 (Subscriber): 특정 토픽의 데이터를 구독하여 사용하는 노드.
  • 특징:
    • 일대다 통신: 하나의 퍼블리셔가 발행하는 데이터를 여러 서브스크라이버가 동시에 받을 수 있습니다.
    • 비동기: 데이터를 받을 준비가 되었을 때마다 데이터를 처리합니다.
  • 활용: 센서 데이터, 로봇의 현재 상태, 제어 명령 등 지속적으로 업데이트되는 정보 공유.

4. 메시지 (Message)

  • 개념: 토픽을 통해 주고받는 **데이터의 형식(구조)**을 정의합니다. 메시지는 미리 정의된 자료형으로 구성된 데이터 구조입니다.
    • 예: sensor_msgs/LaserScan (LiDAR 스캔 메시지 형식), geometry_msgs/Twist (선속도와 각속도를 포함하는 이동 명령 메시지 형식)
  • 특징:
    • 표준화: 로봇 공학에서 자주 사용되는 메시지 형식들이 ROS에 내장되어 있어 편리합니다.
    • 확장 가능: 사용자가 직접 커스텀 메시지 형식을 정의하여 사용할 수도 있습니다.

5. 서비스 (Service)

  • 개념: 특정 요청(Request)에 대해 응답(Response)을 받는 동기적인 단일 호출 통신 메커니즘입니다. 함수 호출과 유사합니다.
  • 서버 (Server): 서비스 요청을 처리하고 응답을 반환하는 노드.
  • 클라이언트 (Client): 서비스 요청을 보내고 응답을 기다리는 노드.
  • 특징:
    • 요청-응답: 즉각적인 결과를 필요로 할 때 사용됩니다.
    • 동기적: 클라이언트는 서버의 응답을 받을 때까지 기다립니다.
  • 활용: 특정 작업 수행 요청 (예: "문 열어", "팔 특정 위치로 이동", "맵 저장").

ROS 개발 도구

ROS는 개발을 돕기 위한 다양한 도구를 제공합니다.

  • rostopic: 토픽 정보 확인 (발행/구독 노드, 메시지 형식, 데이터 내용).
  • rosservice: 서비스 정보 확인 (서비스 목록, 타입, 호출).
  • rosnode: 현재 실행 중인 노드 목록 확인.
  • rosmsg / rossrv: 메시지/서비스 타입 정의 확인.
  • rqt_graph: ROS 시스템의 노드와 토픽 간의 연결 관계를 시각적으로 보여주는 도구. (시스템 구조 파악에 매우 유용)
  • rviz: 3D 시뮬레이션 환경에서 로봇의 상태, 센서 데이터, 맵 등을 시각화하여 보여주는 도구. (디버깅 및 개발에 필수적)
  • roslaunch: 여러 노드와 매개변수를 한 번에 실행하기 위한 XML 기반의 스크립트. (복잡한 시스템 실행 간소화)

ROS 환경 설정 및 첫 ROS 예제 (Ubuntu + ROS Noetic/Humble)

ROS는 주로 Ubuntu 리눅스 환경에서 개발됩니다.

1. ROS 설치 (예: ROS Noetic Ninjemys for Ubuntu 20.04)

공식 ROS 설치 가이드를 따르는 것이 가장 좋습니다. (ROS Wiki: wiki.ros.org/ROS/Install)

Bash
# 1. 소스리스트 설정
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
# 2. 키 추가
sudo apt install curl # if you haven't already installed curl
curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add -
# 3. 패키지 업데이트
sudo apt update
# 4. ROS 설치 (Desktop-Full Recommended)
sudo apt install ros-noetic-desktop-full
# 5. 환경 설정
echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

2. 첫 ROS 예제: roscore 실행 및 talker/listener 노드

가장 기본적인 ROS 예제인 talker (데이터 발행)와 listener (데이터 구독) 노드를 실행해 봅시다.

  1. 터미널 1: roscore 실행 (마스터 구동)

    Bash
    roscore

    이 터미널은 ROS 시스템이 종료될 때까지 계속 실행되어야 합니다.

  2. 터미널 2: talker 노드 실행 (데이터 발행)

    Bash
    rosrun roscpp_tutorials talker

    이 노드는 "/chatter" 토픽에 "hello world" 메시지를 계속 발행합니다.

  3. 터미널 3: listener 노드 실행 (데이터 구독)

    Bash
    rosrun roscpp_tutorials listener

    이 노드는 "/chatter" 토픽을 구독하여 talker 노드가 보내는 메시지를 수신하고 출력합니다.

  4. 토픽 확인 (rostopic):

    Bash
    rostopic list           # 현재 활성화된 토픽 목록 확인
    rostopic info /chatter  # /chatter 토픽의 정보 (퍼블리셔/서브스크라이버, 메시지 타입)
    rostopic echo /chatter  # /chatter 토픽으로 발행되는 메시지 내용 실시간 확인

  5. 노드 확인 (rosnode):

    Bash
    rosnode list            # 현재 실행 중인 노드 목록 확인

ROS와 라즈베리 파이

라즈베리 파이는 ROS를 구동하기에 충분한 성능을 가지고 있으며, 실제로 많은 연구 및 프로젝트에서 ROS 기반의 라즈베리 파이 로봇이 사용됩니다.

  • ROS 설치: 라즈베리 파이에도 Ubuntu 또는 Raspberry Pi OS에 ROS를 설치할 수 있습니다. (ROS 공식 문서의 ARM 기반 설치 가이드 참고)
  • 성능 고려: 라즈베리 파이의 성능 한계를 고려하여 너무 무거운 노드(예: 복잡한 3D 매핑)는 다른 고성능 컴퓨터에서 처리하고, 라즈베리 파이는 드라이버 노드나 간단한 제어 노드 위주로 활용하는 하이브리드 시스템 구성도 고려할 수 있습니다.
  • ROS 2: 최근에는 더 효율적인 통신과 분산 처리를 위해 ROS의 차세대 버전인 ROS 2가 널리 사용되고 있습니다. ROS 2는 DDS(Data Distribution Service) 기반으로, 더 나은 실시간 성능과 멀티 로봇 시스템에 적합합니다.

마무리하며...

이번 글에서는 로봇 개발의 복잡성을 관리하고 효율성을 극대화하는 ROS (Robot Operating System)의 기본 개념을 알아보았습니다. 노드, 토픽, 서비스, 메시지와 같은 핵심 요소들이 어떻게 로봇 시스템 내에서 유기적으로 통신하며 기능을 수행하는지 이해하셨을 겁니다. ROS는 단순한 도구를 넘어 로봇 개발의 철학을 제공하며, 여러분이 만들고자 하는 로봇의 종류와 복잡성에 관계없이 강력한 기반을 제공할 것입니다.

다음 편에서는 로봇의 가장 중요한 감각 중 하나인 컴퓨터 비전(Computer Vision)의 기초에 대해 알아보겠습니다. 카메라를 통해 주변 환경을 인식하고, 객체를 탐지하며, 로봇이 '볼 수' 있도록 만드는 흥미로운 여정이 시작될 것입니다! 이제 여러분의 PC(또는 라즈베리 파이)에 ROS를 설치하고, roscore를 실행한 다음 talker와 listener 노드를 실행해보면서 ROS의 통신 방식을 직접 경험해 보세요!