ROS探索总结(五十二)—— MoveIt!中的运动学插件

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MoveIt!是ROS中一个重要的集成化开发平台,由一系列移动操作的功能包组成,提供运动规划、操作控制、3D感知、运动学等功能模块,是ROS社区中使用度排名前三的功能包,目前已经支持众多机器人硬件平台。

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MoveIt!中的众多功能都使用插件机制集成,其中有一个重要的功能模块——运动学插件。

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今天我们就来聊下MoveIt!中的运动学求解器。

 

一、KDL

Kinematics and Dynamics Library (KDL)是MoveIt!中的默认运动学插件,在使用MoveIt! Setup Assistant进行模型配置时,可以进行配置。

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配置完成后,就可以运行demo.launch控制虚拟机械臂进行运动规划了。但是KDL有自己的优缺点:

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比如一次逆解的求解时间:0.062192秒。。。

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很多时候我们在做运动规划的时候,MoveIt!经常会提示规划失败、求解失败等错误,很多都是因为KDL这款运动学插件导致的,那么问题就来了——能不能更换一个运动学插件?

当然可以,以下介绍两个用的最多的运动学插件:TRAC-IK和IKFAST。

 

二、TRAC-IK

TRAC-IK和KDL类似,也是一种基于数值解的运动学插件,但是在算法层面上进行了很多改进,求解效率高了很多。比如在下边这张图中,左侧的红点是KDL无法求解的姿态点,但是在右侧使用TRAC-IK是可以求解的。

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那么如何将KDL更换成TRAC-IK呢,方法很简单,ROS的软件源中已经集成了TRAC-IK的安装包,可以直接使用以下命令安装:

  1. sudo apt-get install ros-kinetic-trac-ik-kinematics-plugin

然后修改机械臂MoveIt!配置功能包下的kinematics.yaml文件就可以使用啦:

  1. arm:
  2.   kinematics_solver: trac_ik_kinematics_plugin/TRAC_IKKinematicsPlugin
  3.   kinematics_solver_attempts: 3
  4.   kinematics_solver_search_resolution: 0.005
  5.   kinematics_solver_timeout: 0.05

接下来再次运行demo.launch,默认加载的就是TRAC-IK运动学插件了,试试规划求解的效率是不是高了很多!

但是TRAC-IK也有问题,它是一种数值算法,每次求解得到的关节位置不一定相同。

 

三、IKFAST

IKFAST是一种基于解析算法的运动学插件,可以保证每次求解的一致性。

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相比KDL和TRAC-IK,IKFAST的安装过程就比较复杂了,不过就笔者的使用经验来讲,IKFAST的效果还是很推荐的,所以不妨一试,以下就是IKFAST的安装配置过程。

  • 安装程序:

  1. sudo apt-get install cmake g++ git ipython minizip python-dev python-h5py python-numpy python-scipy qt4-dev-tools
  • 安装依赖库:

  1. sudo apt-get install libassimp-dev libavcodec-dev libavformat-dev libavformat-dev libboost-all-dev libboost-date-time-dev libbullet-dev libfaac-dev libglew-dev libgsm1-dev liblapack-dev liblog4cxx-dev libmpfr-dev libode-dev libogg-dev libpcrecpp0v5 libpcre3-dev libqhull-dev libqt4-dev libsoqt-dev-common libsoqt4-dev libswscale-dev libswscale-dev libvorbis-dev libx264-dev libxml2-dev libxvidcore-dev
  • 安装OpenSceneGraph-3.4:

  1. sudo apt-get install libcairo2-dev libjasper-dev libpoppler-glib-dev libsdl2-dev libtiff5-dev libxrandr-dev
  2. git clone https://github.com/openscenegraph/OpenSceneGraph.git --branch OpenSceneGraph-3.4
  3. cd OpenSceneGraph
  4. mkdir build; cd build
  5. cmake .. -DDESIRED_QT_VERSION=4
  6. make -j$(nproc)
  7. sudo make install
  • 安装sympy

  1. pip install --upgrade --user sympy==0.7.1
  • 删除mpmath

  1. sudo apt remove python-mpmath
  • 安装IKFast功能包

  1. sudo apt-get install ros-kinetic-moveit-kinematics
  • 安装OpenRave

  1. sudo apt-get install ros-kinetic-openrave
  • 创建collada文件

  1. export MYROBOT_NAME="marm"
  2. rosrun xacro xacro --inorder -o "$MYROBOT_NAME".urdf "$MYROBOT_NAME".xacro    
  3. rosrun collada_urdf urdf_to_collada "$MYROBOT_NAME".urdf "$MYROBOT_NAME".dae<br></font>

  • 创建dae文件

  1. export IKFAST_PRECISION="5"
  2. cp "$MYROBOT_NAME".dae "$MYROBOT_NAME".backup.dae # create a backup of your full precision dae.
  3. rosrun moveit_kinematics round_collada_numbers.py "$MYROBOT_NAME".dae "$MYROBOT_NAME".dae "$IKFAST_PRECISION"
  • 查看生成的模型

  1. openrave-robot.py "$MYROBOT_NAME".dae --info links

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  1. openrave "$MYROBOT_NAME".dae

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  • 生成六轴机器人配置

  1. export PLANNING_GROUP="arm"
  2. export BASE_LINK="1"
  3. export EEF_LINK="11"
  4.  
  5. export IKFAST_OUTPUT_PATH=`pwd`/ikfast61_"$PLANNING_GROUP".cpp
  6.  
  7. python `openrave-config --python-dir`/openravepy/_openravepy_/ikfast.py --robot="$MYROBOT_NAME".dae --iktype=transform6d --baselink="$BASE_LINK" --eelink="$EEF_LINK" --savefile="$IKFAST_OUTPUT_PATH"
  • 创建插件

  1. export MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG="$MYROBOT_NAME"_ikfast_"$PLANNING_GROUP"_plugin
  2. cd ~/catkin_ws/src
  3. catkin_create_pkg "$MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG"
  4. rosrun moveit_kinematics create_ikfast_moveit_plugin.py "$MYROBOT_NAME" "$PLANNING_GROUP" "$MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG" "$IKFAST_OUTPUT_PATH"
  • 重新编译工作空间

  1. catkin_make
  • 修改使用的插件

  1. rosed "$MYROBOT_NAME"_moveit_config/config/kinematics.yaml
  2.  
  3. <planning_group>:
  4. kinematics_solver: <myrobot_name>_<planning_group>_kinematics/IKFastKinematicsPlugin
  5. -INSTEAD OF-
  6. kinematics_solver: kdl_kinematics_plugin/KDLKinematicsPlugin

注意以上步骤中的机器人名称、运动规划组名称、坐标系序号等需要和自己所使用的机器人匹配,也可以参考官方教程配置:

http://docs.ros.org/kinetic/api/moveit_tutorials/html/doc/ikfast/ikfast_tutorial.html

现在运行demo.launch文件时,使用的运动学插件就是IKFAST了,快试一试效果是不是还不错!


原创文章,转载请注明: 转载自古月居

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评论

58条评论
  1. Gravatar 头像

    薛棣棣 回复

    古月老师您好,我想问一下就是moveit给我们的是一条关节轨迹,在控制实际机器人时为什么还需要在控制器里面编写插补算法

    • 古月

      古月 回复

      @薛棣棣 这个轨迹是一系列路径点,可以叫做粗插补,周期比实际机器人控制周期大,在控制器内部还要根据控制周期进行一次细插补

      • Gravatar 头像

        薛棣棣 回复

        @古月 古月老师您好感谢您的回复,这个懂了,还有2个问题
        1、如果是在关节空间规划时,moveit给我们的是一条关节轨迹,我们在控制器里进行5次插补就能实现点到点的运动吧?
        2如果是笛卡尔空间规划,moveit给我们的应该是末端的一些路径点吧,我们在控制器里用什么插补算法?

      • Gravatar 头像

        薛棣棣 回复

        @古月 我的想法是在控制器里首先通过直线插补算法插补末端中间路径点,然后逆解算出每一时刻的关节角度,但感觉这样控制器的计算量很大。

  2. Gravatar 头像

    吴小文 回复

    大佬!您好!我想问一下我在用moveit控制实际机器人的时候经常遇到解求出来了但是执行失败,报: Controller handle robot_arm_controller reports status FAILED,这台工控机配置比较差,有时候仿真也会失败,但是我在另一台配置比较好的电脑上仿真不会有问题。这跟电脑配置会不会有很大关联。

    • 古月

      古月 回复

      @吴小文 moveit会实时监测机器人的姿态,计算慢的话,moveit是会报错的

  3. Gravatar 头像

    进击的苏联 回复

    古月老师您好,我在做moveit机械臂添加了kinect摄像头做避障运动,但在路径规划时经常出现Failed to validate trajectory: couldn't receive full current joint state请问知道如何解决。

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    烟消云散 回复

    古月老师你好,我想问一下,OMPL规划轨迹时,是把轨迹点全部规划出来,再对每个点求机械臂的逆解,还是规划一个点求一个点的逆解呀?

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        烟消云散 回复

        @古月 哦,如果要比较MoveIt里的这几种逆解插件,OMPL轨迹规划的随机性会影响实验结果,可能需要脱离OMPL自己写规划器,那请问古月老师有这样的源码可以参考一下吗?

        • 古月

          古月 回复

          @烟消云散 不影响,ompl只是规划工作空间的轨迹,然后逆解插件求解关节角度,两个步骤是分开的。要自己写规划器的话,可以参考ROS中的ompl源码

          • Gravatar 头像

            烟消云散 回复

            @古月 谢谢古月老师,能否再问古月老师一个问题?https://tams.informatik.uni-hamburg.de/publications/2017/MSc_Philipp_Ruppel.pdf 这篇文章里,作者在机械臂工作空间内不停取点来求逆解,如果求解成功,则该点在rviz里显示绿点,如果求解失败,则显示红点,这样比较特别直观。用这种方法来比较逆解插件的成功率,想问一下古月老师知道这种方法怎样实现吗?

          • Gravatar 头像

            烟消云散 回复

            @古月 我的想法是写一个函数判断在某点的逆解求解是否成功,如果成功,则将该点标记绿色,如果失败,则标记为红色,但是我现在不知道这个函数应该怎么写,因为输出的日志信息都是IK求解函数内部输出的,单纯的工作空间点到点的规划也没有像笛卡尔规划里fraction那样的返回值。

              • Gravatar 头像

                烟消云散 回复

                @古月 古月老师你好,关于上次问的问题,我最近已经会用maker在rviz中显示点,但是还是不知道去哪里调用你说的IK算法的底层API来判断逆解求解是否成功,古月老师能否指点一下?

                • 古月

                  古月 回复

                  @烟消云散 参考ROS-I的wiki教程,有一个专门讲IKFAST的,先看下怎么样生成ikfast插件,然后会生成一些源码文件,其中有相关的接口

                  • Gravatar 头像

                    烟消云散 回复

                    @古月 非常感谢古月老师对我的问题的解答,我现在在做逆解插件的对比实验,我在机械臂工作空间内设置若干个采样点,然后配置三种运动学插件,写一个点到点规划(也就是您书上说的工作空间规划)的程序让机械臂末端运动到这些采样点进行测试,我却发现使用三种逆解插件结果都是一样的,机械臂末端都能到达所有的采样点,我之前看过几篇论文,里面也说道KDL求解成功率较低,但是我实验的时候跟TRAC-IK和IKFAST没有差别,不知道是什么原因,需要再深入研究一下。

                    • 古月

                      古月

                      @烟消云散 我没这样测试过,都是直接控制机械臂操作的,没具体统计过,但经验肯定是KDL求解器的成功率低,速度慢

  5. Gravatar 头像

    回复

    古月老师您好,请问ROS里有没有办法记录和保存机械臂的运动轨迹呢?我知道rviz里的robotmodel可以Show Trail,但那只是显示实时轨迹,并不能记录和保存

    • 古月

      古月 回复

      @邹 ros可以实时发布joints_state,可以自己做一个节点订阅数据并保存

  6. Gravatar 头像

    van 回复

    古月老师,你好,最近在用ros驱动四自由度的机械臂,但是给它一个终点位姿它却老是无解,而且拖动交互式mark也没有动,甚至rviz会卡死,您知道是什么问题吗?

    • 古月

      古月 回复

      @van 用的哪个求解器,这种情况一般是求解器的问题,我用ikfast比较稳定

  7. Gravatar 头像

    廖亮 回复

    您好,古月老师!我想把自己写的路径规划算法添加到ompl库里面,有在知乎上面看见一篇介绍 的,其基本思想是把MoveIt和ompl都卸了,然后从源码安装,在ompl的源码里加入你的planner,然后安装ompl,然后在moveit中注册你的planner,然后在你的机械臂配置文件中添加planner信息,我有尝试过,实在太复杂了,而且目前还没有成功。想请教一下古月老师及各位,有没有简单一些的方法,希望不吝赐教,谢谢!

    • 古月

      古月 回复

      @廖亮 还有一种方法可以绕过插件这一步,直接通过自己的算法得到完整轨迹,封装成ROS的轨迹数据(位置、速度、加速度、时间),再通过execute来执行轨迹。

    • Gravatar 头像

      张亚宾 回复

      @廖亮 您好,您成功了吗?我也是有这样的想法,想向您讨教一下。

  8. Gravatar 头像

    烟消云散 回复

    古月老师:
    这几天研究moveit我有个疑惑,比如我给机械臂定好了起点和终点,然后moveit用ompl规划出一条轨迹,然后moveit里的运动学插件求解轨迹上每个点机械臂的逆解,这样没错吧。既然是这样,那也就是说从起点到终点的轨迹是通过ompl采样规划出来的,轨迹跟运动学插件没关系,运动学插件只是用来求逆解的,那为什么我用KDL和IK-FAST时,同样用的ompl规划轨迹,IK-FAST却能保证每次轨迹一致?

    • 古月

      古月 回复

      @烟消云散 这个问题我也发现了,还没深究过,需要看下ompl的代码实现

    • Gravatar 头像

      nini 回复

      @烟消云散 您好,我最近在ubuntu16.04下安装了openrave0.9。但是很多例子都跑不了。不知道是不是依赖项版本太高的问题,因为有个example的例子报错了,我降了其中一个依赖项的版本。这个问题就没有出现了。不知道您安装的时候有没有发生过这个问腿?可以询问一下您安装openrave依赖项的版本吗?

      • Gravatar 头像

        烟消云散 回复

        @nini 0.7.1版本,参考的这里https://github.com/yijiangh/Choreo/blob/7c98fd29120e5ce75d2b8ed17bc49488ad983cb6/framefab_robot/abb/framefab_irb6600/framefab_irb6600_support/doc/ikfast_tutorial.rst

  9. Gravatar 头像

    洋洋 回复

    古月老师为什么找不到E: 未发现软件包 liblog4cxx-dev
    E: 未发现软件包 libpcrecpp0v5,请问那个镜像源可以下载

  10. Gravatar 头像

    烟消云散 回复

    请问古月老师:
    我想知道IK-fast是如何求逆解的,请问有没有相关的说明文档或者文献?我在网上找了好久也没有找到。

    • 古月

      古月 回复

      @烟消云散 ikfast是openrave里边的一种算法,可以在openrave官网里找一下

      • Gravatar 头像

        烟消云散 回复

        @古月 好的,谢谢古月老师

  11. Gravatar 头像

    范中磊 回复

    古月老师,您好!我在用moveit规划的时候想对节点的速度进行控制怎么做啊?在moveit和rviz中可以设置吗?还是只能通过节点文件控制啊?不太懂

    • 古月

      古月 回复

      @范中磊 有一个速度和加速度的比例参数,在rviz planning插件页里有设置这个参数的地方,取值范围是0~1。在程序中也有对应的API,可以在官方文档中找到

      • Gravatar 头像

        范中磊 回复

        @古月 老师,这个速度只能设置一个比例吗?我们有一个类似T型的速度曲线是否可以在rviz中实现?

          • Gravatar 头像

            范中磊 回复

            @古月 需要编写节点文件控制节点以某个速度运动吗?老师

            • 古月

              古月 回复

              @范中磊 是的,原理可以参考《机器人学导论》,类似于ROS中的moveit planner,需要自己完成运动轨迹速度、加速度、时间的计算

  12. Gravatar 头像

    aqua 回复

    古月老师您好,我是一个ros小白,我想在ROS中实现机械臂的运动学和动力学,请问大致的步骤是怎样的?

    • 古月

      古月 回复

      @aqua 建议先使用ROS中已有的机械臂进行学习,使用方法熟悉后再深入看相应的实现方法,再移植到自己的机器人上边或者进行源码功能的添加、修改、优化。
      开始的学习可以先找已有的ROS教材进行。

  13. Gravatar 头像

    lry 回复

    古月老师您好,我改用了IKfast插件之后,发现在输入目标位姿的时候,需要输入精确到小数点后面很多位才能求解,但是如果没那么精确的时候(例如只精确到小数点后3位),求解器就返回求解失败了,这个IKfast能调整容错的参数吗。Trac_IK在这些情况下都能解出来。

    • 古月

      古月 回复

      @lry 我一直用IKfast,还没发生过类似的问题,检查下是不是ikfast配置的时候有问题

  14. Gravatar 头像

    leslie 回复

    胡老师,我在转换模型文件格式时总是提示我没有那个文件,可是他明明在那啊!

  15. Gravatar 头像

    Terence 回复

    古月老师,您好!我在按您上面的步骤将KDL替换为TRAC-IK时,出现了错误,错误如下:
    The kinematics plugin (cute_arm) failed to load. Error: Failed to load library /opt/ros/kinetic/lib//libtrac_ik_kinematics_plugin.so. Make sure that you are calling the PLUGINLIB_EXPORT_CLASS macro in the library code, and that names are consistent between this macro and your XML. Error string: Could not load library (Poco exception = libmoveit_kinematics_base.so.0.9.12: cannot open shared object file: No such file or directory)
    [ERROR] [1530362224.460199466]: Kinematics solver could not be instantiated for joint group cute_arm.
    您知道这是什么原因吗?

    • 古月

      古月 回复

      @Terence 把配置文件里的trac_ik改成大写试试:
      trac_ik_kinematics_plugin/TRAC_IKKinematicsPlugin

      • Gravatar 头像

        mz 回复

        @古月 也遇到了这个问题,看了一下文档(http://docs.ros.org/kinetic/api/moveit_tutorials/html/doc/trac_ik/trac_ik_tutorial.html),里面是这样写的,
        Install trac_ik_kinematics_plugin and trac_ik_lib package or add to your catkin workspace.
        问题应该出在不仅需要安装trac_ik_kinematics_plugin插件,还需要安装trac_ik_lib功能包,或者将trac_ik_lib功能包放置在工作空间下(git clone https://bitbucket.org/traclabs/trac_ik.git),这样就能够使用TRAC_IK求解插件了。

    • Gravatar 头像

      邹俊宇 回复

      @Terence 你把你的moveit更新一下,我也遇到了这个问题
      我输入sudo apt-get install ros-kinetic-moveit-*更新了一下moveit就好了

      • Gravatar 头像

        george 回复

        @邹俊宇 您好古月老师,我按照官方wiki,用IKfast给franka机器人生成IK插件,但是每次都不成功,在开头它显示了一些信息之后,就出现INFO: attempting li/woernle/hiller general ik method,然后运行几十分钟后显示Didn't converge in maxsteps=50 steps.
        这个正常吗?
        请您指点一下谢谢!

        • 古月

          古月 回复

          @george 这个机器人我没用过,也没遇到过类似的问题,不太清楚问题所在,请检查下配置时候的参数设置

        • Gravatar 头像

          derek 回复

          @george 我遇到过这个问题,解决方法是openrave使用源安装,不要使用二进制安装。

  16. Gravatar 头像

    bucket 回复

    古月老师您好,我想问下orientation constraint 中的absolute_x_axis_tolerance是相对末端坐标系还是指定的基座坐标系呢?我用的模型是SCARA四自由度机械臂,想实现ros by example 中的那个水平移动末端的案例,但是每次都会报错
    [ WARN] [1530171817.352887298]: RRTConnect: Skipping invalid start state (invalid state)
    [ERROR] [1530171817.352931006]: RRTConnect: Motion planning start tree could not be initialized!
    [ INFO] [1530171817.352958185]: No solution found after 0.000078 seconds
    [ WARN] [1530171817.362828271]: Goal sampling thread never did any work.
    不知道为何说初始状态无效,我把三个轴的容差值都设为3.14还是这个错误,请老师给点思路。谢谢

    • 古月

      古月 回复

      @bucket 这个坐标系是指定的坐标系,指定为base_link就是base_link。
      可以在规划前加一句当前姿态为其实姿态的设置试一下。

  17. Gravatar 头像

    于晓龙 回复

    您好古月老师,运行 openrave-robot.py "$MYROBOT_NAME".dae --info links
    之后出现openravepy is not set into PYTHONPATH env variable 。我尝试添加和git的方法之后仍然存在这样的问题,请问知道怎么解决么?

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