状态机SMACH相关教程介绍与应用案例分析——机器人操作进阶系列之一

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前言

状态机是实现机器人任务规划的高效工具，值得深入学习和掌握。本文将系统介绍状态机的基本概念和核心术语，推荐优质学习资源，并通过鞋子打包的实战案例，帮助读者全面理解状态机的实际应用。

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一、状态机介绍与教程推荐

1.状态机介绍

在ROS（Robot Operating System）中，状态机是一种用于管理机器人行为和控制逻辑的模型。它帮助开发者将复杂的任务分解为一系列离散的“状态”，每个状态代表系统的一个离散情形，并通过“转移”规则在状态之间切换。状态机特别适用于任务规划、机器人导航等场景，因为它能清晰地处理异步事件和条件分支。

状态机的基本组成：
1）状态（State）： 表示系统的一个行为单元。例如，在机器人操作中，状态可以是被操作物体的不同姿态。
2）转移（Transition）： 定义从一个状态切换到另一个状态的条件，通常基于事件或数据输入。例如，当传感器检测到特定的位姿时，机器人执行重定向原语，使物体从一个位姿转换到另一个位姿。
3）输出（Outcome）： 每个状态执行后产生的结果，用于触发转移。常见输出如“成功”“失败”或自定义标签。
4）层次结构： 状态机可以嵌套，形成子状态机，以处理更复杂的逻辑。

在ROS中，状态机通常通过smach库实现。smach（State Machine）是一个轻量级、灵活的库，专为ROS设计，允许开发者用Python代码定义状态机，并将其集成到ROS节点中。smach提供了可视化工具（如smach_viewer），便于调试和监控状态流。

SMACH功能包的安装命令如下：

sudo apt-get install ros-noetic-executive-smach
sudo apt-get install ros-noetic-executive-smach-visualization

2.相关教程推荐

ROS官网已有关于SMACH的系列教程，这里简要介绍如下。

网址1：https://wiki.ros.org/cn/smach
介绍了状态机的使用条件，什么时候使用和什么时候不使用状态机。

网址2：https://wiki.ros.org/cn/smach/Documentation
介绍了状态机的相关术语及其定义，如状态，状态结果，用户数据，容器等。

网址3：https://wiki.ros.org/cn/smach/Tutorials
给出了学习状态机的基础和高级系列教程，其中初级系列教程如以下截图所示，其中左侧展示的是详细的系列教程，右侧展示的是对应教程的详细代码。

网址4：https://wiki.ros.org/cn/smach/UseCase
使用实例探讨了如何使用SMACH，该实例为在turtlesim中协调两只乌龟的运动。

注意：以上为ROS中文官网的教程，其原版英文教程参考http://wiki.ros.org/smach。

除了上述官网提供的教程，古月老师也整理了SMACH学习的教程，如下所示：
1 ROS探索总结（三十七）——有限状态机smach (1)
2 ROS探索总结（三十八）——有限状态机smach (2)

3.状态图和流程图的区别

SMACH提供的可视化工具smach_viewer，可以显示状态图便于调试和监控状态转换。但是状态图（下图（a））和流程图（下图（b））比较容易混淆，以下为两者的对比。

流程图的节点是状态图中的边。这是因为流程图中的每个节点都代表一个程序命令，程序命令是要执行的操作，其本身并非状态，但当应用于某个状态时，会导致状态转换。

源代码可以以流程图的形式呈现，每个流程图都会衍生出一个状态图。

二、基于状态机的鞋子打包实现

1.问题概述

初态：对于单只鞋子的初态可以是top, side, bottom（如下图（a）所示）。对于一双鞋子，其组合理论上有六种（top+top, top+side, top+bottom, side+side, side+bottom, bottom+bottom）。
终态：放置在鞋盒中的标准姿态如下图（b）所示。需要同时考虑鞋子相对于盒子的位姿，还需要考虑第二只鞋子相对于第一只鞋子的位姿，即第一只鞋子的鞋口朝里，第二只鞋子的鞋头和鞋口方向相对于第一只鞋子均为相反方向。

完成此任务需要同时考虑感知、重定向、任务规划器三个方面的设计，由于本文的重心在状态机上，所以我们此处的重心放在基于状态机的任务规划器的设计上，对于感知和重定向简要概述如下。

关于完整的解决方案可以参考文章：
Dong Y, Liu Y, Duan J, et al. Robotic manipulation framework based on semantic keypoints for packing shoes of different sizes, shapes, and softness[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2025: 105174.

2.感知和重定向

物体的感知
物体的表示方式包括位姿、关键点和密集表示。位姿表示太单一，不能够满足复杂的操作任务，单纯抓取还可以。密集表示消耗计算资源，导致感知刷新速度变慢。而基于关键点的方法不仅能够适应鞋子的类内和状态间的大差异，还能给我们提供足够的视觉信息用来完成复杂操作。所以，此处我们使用语义关键点的表示方法，如上图（a）所示，用五个关键点（toe, heel, topline, outside, inside）表示鞋子。

结合这五个关键点和鞋子的几何形状，可以推理出鞋子所处的状态（top, side, bottom）和位姿。这些关键点、状态、位姿都是接下来的操作所需要的信息。

物体的重定向
因为鞋子的目标状态为side状态，所以重定向是必须的。对于鞋子而言，最直接的重定向方法如下图Method 1所示，使用toppling原语实现重定向。具体到action，push实现从bottom到side的转换，rotation实现top和side之间的转换。

除了上述直接使用toppling原语的重定向方法，还有一种更为高效的方法。如下图Method 2所示，即利用接触和重力实现物体的重定向。首先，将top状态的鞋子以一定的偏心距放置在边缘上；然后，将夹爪张开缓慢上移；最后，鞋子在重力的作用下会旋转并以side状态掉落在鞋盒内。这种方式巧妙地利用了鞋子与鞋盒的接触，在重力的作用下实现了重定向。

需要说明的是：第一种重定向方法（Method 1）主要在预放置阶段完成鞋子的重定向，之后还要单独抓取放置鞋子。而第二种重定向方法（Method 2）将重定向和放置阶段融为一体，简化为一个步骤，所以效率更高。但是这种方法只能适用于top状态，而且当其应用于第二只鞋子时，成功率才更高（因为第一只鞋子能够一定程度上阻止第二只鞋子过度翻转）。所以Method 2只能用于top+side的状态组合，其中top作为第二只鞋子放置。

3.任务规划器

因为鞋子的状态是离散的，而且状态之间的转换条件也是可以明确的，所以本项工作十分适合用状态机完成。

根据以上重定向方法，鞋子打包任务可以分为预放置阶段（采取必要的重定向措施）和放置阶段，可以直接进入放置阶段的鞋子状态组合为side+side (inside+outside)和top+side。

那么当出现bottom状态的鞋子时，先执行重定向原语改变其状态。之后状态组合便进入top+side, top+top, side+side三个状态组合。
1）对于top+side状态组合，可以直接使用Method 2重定向方法实现放置打包；
2）对于top+top状态组合，可以采用topppling原语改变任意一只鞋子的状态，就可以进入top+side这样可以直接放置的组合；
3）对于side+side状态组合，还要判断其侧面关键点组合。如果是inside+outside，可以直接放置，如果是两个insides或者outsides，那就得改变一只鞋子的状态，以便于进入top+side的可放置状态组合。

下图就是上述任务规划器的所对应的流程图，与其对应的存在一个状态机的状态转移图，我们可以使用状态机来实现此项任务。状态机通过明确的状态划分和转换规则，将复杂的条件逻辑转化为清晰、模块化的结构，极大地提升了代码的可读性、可维护性和可扩展性，避免了if-else语句带来的嵌套混乱和状态爆炸问题。

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总结

本文系统梳理了状态机的核心术语与概念框架，重点推荐了权威的官方学习资源，并通过生动的鞋子打包实例，直观展示了状态机的实际应用场景，帮助读者构建完整的知识体系。