ROS 기본 개념: 노드, 토픽, 메시지로 로봇 시스템 이해하기 > 로봇 운영체제(ROS/ROS2) 완전 정복

• 목록
• 글쓰기

ROS 기본 개념: 노드, 토픽, 메시지로 로봇 시스템 이해하기

'ROS 기본 개념: 노드, 토픽, 메시지로 로봇 시스템 이해하기'라는 표현은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 하드웨어, IoT 개발, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발과 같은 로봇 기술 전반에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분의 핵심적인 고민을 정확히 담고 있습니다. 로봇 개발의 세계에 첫발을 내딛는 개발자에게 **ROS(Robot Operating System)**는 복잡하고 방대하게 느껴질 수 있습니다. 하지만 ROS의 핵심은 몇 가지 기본적인 개념들을 이해하는 것에서부터 시작됩니다. 특히 노드(Node), 토픽(Topic), 메시지(Message) 이 세 가지는 ROS를 기반으로 구축된 모든 로봇 시스템을 이해하고 개발하는 데 가장 기본적인 구성 요소입니다.

이 세 가지 개념을 명확하게 이해하는 것은 ROS를 활용한 로봇 소프트웨어 개발의 '언어'를 배우는 것과 같습니다. 이는 복잡한 로봇 시스템을 효율적으로 설계하고 디버깅하며, 다른 개발자들과 협업하는 데 필수적인 역량입니다. 함께 ROS의 노드, 토픽, 메시지 개념이 무엇이며, 로봇 시스템 내에서 어떻게 작동하는지, 그리고 이들을 통해 로봇 시스템을 어떻게 이해하고 활용하는지 자세히 알아보겠습니다!

여러분께서 로봇 시스템을 개발할 때, 로봇의 움직임을 제어하고, 센서 데이터를 처리하며, 외부와 통신하는 등 다양한 기능들을 구현해야 합니다. ROS(Robot Operating System)는 이러한 기능들을 모듈화하고, 각 모듈들이 서로 데이터를 주고받으며 유기적으로 연결될 수 있도록 하는 소프트웨어 프레임워크입니다. 이때 로봇 시스템의 전체적인 동작을 이해하고 구현하기 위해 가장 먼저 알아야 할 ROS의 기본 개념은 다음과 같습니다.

1. 노드 (Node): 로봇의 두뇌를 구성하는 작은 실행 단위

ROS에서 **노드(Node)**는 로봇 시스템에서 특정 기능을 수행하는 실행 가능한 프로세스의 단위입니다.  로봇의 기능을 여러 노드로 나누면, 각 노드는 독립적으로 작동하면서 다른 노드에 영향을 주지 않아 시스템의 모듈성과 안정성을 높일 수 있습니다.

역할: 각 노드는 정해진 하나의 역할을 수행합니다. 예를 들어, 라이다 센서 데이터를 읽는 노드, 모터의 속도를 제어하는 노드, 내비게이션 경로를 계획하는 노드, 사용자 인터페이스를 담당하는 노드 등이 있습니다.

독립성: 각 노드는 독립적인 프로그램으로 실행됩니다. 따라서 하나의 노드에 문제가 발생해도 다른 노드에 직접적인 영향을 주지 않아 전체 시스템의 안정성이 향상됩니다.

언어: C++이나 Python 등 다양한 프로그래밍 언어로 개발될 수 있습니다.

로봇 시스템 내에서의 이해:

로봇 팔: 각 관절 모터를 제어하는 노드, 로봇 팔의 현재 위치를 파악하는 엔코더 노드, 충돌을 감지하는 힘센서 노드 등이 있을 수 있습니다.

자율주행 로봇: 라이다(LiDAR) 센서 노드, 카메라 노드, 모터 제어 노드, 경로 계획 노드, 장애물 회피 노드 등이 서로 유기적으로 연결됩니다.

2. 토픽 (Topic): 노드 간의 비동기식 데이터 통신 채널

**토픽(Topic)**은 노드들이 데이터를 주고받는 통신 채널입니다.  이는 라디오 방송과 유사합니다. 한 노드가 특정 토픽에 메시지를 '발행(Publish)'하면, 해당 토픽을 '구독(Subscribe)'하는 모든 노드들이 그 메시지를 실시간으로 받게 됩니다.  [6]

비동기식: 발행자와 구독자는 서로의 존재를 직접 알 필요 없이, 토픽이라는 채널을 통해 비동기적으로 통신합니다. 발행자는 메시지를 계속 보내고, 구독자는 메시지가 오면 받아서 처리합니다.

일대다(One-to-Many): 하나의 발행자가 보낸 메시지를 여러 구독자가 동시에 받을 수 있습니다.

실시간성: 센서 데이터처럼 지속적으로 빠르게 변화하는 정보를 전달하는 데 적합합니다.

로봇 시스템 내에서의 이해:

센서 데이터: /laser_scan 토픽으로 라이다 센서 데이터가 발행되면, 이를 내비게이션 노드와 장애물 회피 노드가 구독하여 사용합니다.

모터 제어: /cmd_vel 토픽으로 로봇의 이동 속도 명령이 발행되면, 이를 모터 제어 노드가 구독하여 모터를 움직입니다.

오작동 시: 만약 /cmd_vel 토픽을 발행하는 노드에 문제가 생겨 엉뚱한 속도 명령을 보내면, 모터 제어 노드가 이를 받아 로봇이 오작동할 수 있습니다. (모터 제어 문제와 연결됩니다.)

3. 메시지 (Message): 토픽을 통해 전달되는 데이터 형식

**메시지(Message)**는 토픽을 통해 노드 간에 주고받는 실제 데이터입니다.  ROS는 메시지의 데이터 타입을 미리 정의하여 사용합니다. 이는 서로 다른 노드나 언어로 개발되었더라도 데이터를 정확하게 이해하고 처리할 수 있도록 보장합니다.

구조화된 데이터: 메시지는 단순한 숫자나 문자열이 아니라, 여러 변수들을 포함하는 구조체(Struct) 형태를 가집니다.

예시: geometry_msgs/Twist 메시지는 로봇의 선속도(linear.x, linear.y, linear.z)와 각속도(angular.x, angular.y, angular.z)를 포함합니다. 

표준 메시지: ROS는 센서 데이터, 모터 명령, 이미지 등 로봇 개발에 필요한 다양한 표준 메시지 타입을 제공합니다. 이를 통해 개발자들은 복잡한 데이터 형식을 직접 정의할 필요 없이 재사용할 수 있습니다.

사용자 정의 메시지: 표준 메시지로 표현할 수 없는 데이터가 있다면, 개발자가 직접 메시지 타입을 정의하여 사용할 수 있습니다.

로봇 시스템 내에서의 이해:

카메라 이미지: sensor_msgs/Image 메시지에 이미지 데이터가 담겨 토픽을 통해 전달됩니다.

엔코더 값: sensor_msgs/JointState 메시지에 각 관절의 위치, 속도, 토크 정보가 담겨 전달됩니다.

이상 감지: 센서 노드가 비정상적인 데이터를 메시지로 발행하면, 이를 구독하는 다른 노드들이 잘못된 정보를 받아 오작동할 수 있습니다. (센서 데이터 이상 진단과 연결됩니다.)

4. ROS 기본 개념의 상호작용 (로봇 시스템의 작동 원리!)

이 세 가지 기본 개념은 다음과 같이 상호작용하며 로봇 시스템을 구성합니다.

**센서 노드 (Node)**가 라이다 센서에서 데이터를 읽습니다.

읽어온 데이터는 sensor_msgs/LaserScan 메시지 (Message) 형태로 가공됩니다.

센서 노드는 이 메시지를 /laser_scan **토픽 (Topic)**에 '발행(Publish)'합니다.

동시에 '경로 계획 노드 (Node)'와 '장애물 회피 노드 (Node)'가 /laser_scan 토픽을 '구독(Subscribe)'하고 있습니다.

이 두 노드는 라이다 센서 메시지를 받아 자신의 알고리즘에 따라 데이터를 처리합니다.

'경로 계획 노드'는 계산된 이동 명령을 geometry_msgs/Twist 메시지로 만들어 /cmd_vel 토픽에 '발행'합니다.

'모터 제어 노드 (Node)'는 /cmd_vel 토픽을 '구독'하여 메시지를 받아 모터를 움직이는 명령을 수행합니다.

이처럼 ROS는 노드, 토픽, 메시지라는 명확한 추상화 계층을 제공하여, 복잡한 로봇 시스템을 모듈화하고 효율적으로 개발하며 관리할 수 있도록 합니다.

ROS 기본 개념인 노드, 토픽, 메시지를 이해하는 것은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 하드웨어, IoT 개발, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발과 같은 로봇 기술 전반에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분이 로봇 개발의 세계에 성공적으로 진입하는 가장 기본적인 언어이자 도구입니다. 이러한 핵심 개념들을 완벽하게 마스터하여 여러분이 만들고자 하는 로봇 시스템을 효율적으로 설계하고, 개발하며, 미래의 혁신적인 로봇을 구현하는 데 큰 기여를 할 것이라고 믿습니다!