ROS探索总结(七十)—— 古月私房课 | 基于ROS设计一款机械臂控制系统

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古月居联合深蓝学院推出的“古月私房课”第一弹——《ROS机械臂开发:从入门到实战》已经上线啦,欢迎各位小伙伴前来围观,以下是第11讲《基于ROS设计一款机械臂控制系统》的内容精要。

大家好,这里是《ROS机械臂开发:从入门到实战》的第11讲——基于ROS设计一款机械臂控制系统,我是主讲人胡春旭。

幻灯片1

今天我们将从以下两个方面为大家介绍ROS机械臂控制系统的设计。

幻灯片2

首先我们来看看ROS控制系统的设计方法。

幻灯片3

回顾之前介绍的这张框架图,其中抽象出了控制系统的关键部分,虚线左边可以利用MoveIt!快速搭建运动规划层的功能,具体如何将规划得到的数据落实到机器人上的绿色部分,是我们要实现的重点。

幻灯片4

这里可以用之前讲过的ros_control来实现,ros_control主要分成两个层次,一个是硬件无关的控制算法,一个是和硬件相关的硬件抽象层,需要根据使用的硬件来实现硬件抽象层的read和write方法。

幻灯片5

ros_control是一个控制器框架,如果其中没有满足我们的控制器,也可以自己进行实现,如下是一个简单的闭环控制器结构。

幻灯片6

以上只是针对控制的部分,整个机械臂控制系统的搭建可以参考ROS-I的五层架构。

幻灯片7

PROBOT Anno的控制系统就是基于ROS-I框架实现的,我们以此为例为大家介绍一种控制系统的设计方法。

幻灯片8

PROBOT Anno的定位是桌面级科研和学习的ROS机械臂平台,充分支持ROS中的各种开发接口功能,目前已经上市,大家也可以参考wiki上的介绍。

幻灯片9

在硬件层面上,PROBOT Anno的控制系统以我们开发的ROBCELL控制器为核心,向上连接PC端运行的ROS环境,向下连接驱动器和电机,驱动机械臂运动,还可以通过IO控制外部继电器。

幻灯片10

在软件层面上,我们基于ROS-I设计了控制系统的框架。上边四个层次运行在ROS环境中,完成机械臂的运动规划和应用处理,然后用simple message发给底层控制器。控制器基于ARM+FPGA的异构SoC平台,FPGA端完成电机控制、接口扩展、算法加速等,ARM端实现轨迹控制、运动学、系统管理等,具体每个层次实现的功能如下。

幻灯片11

交互层基于Rviz设计了一系列便于使用的交互界面。

幻灯片12

规划层利用MoveIt!实现运动规划,集成Opencv和Tensorflow实现图像处理和识别,调用科大讯飞SDK实现语音识别,扩展交互能力。

幻灯片13

控制和反馈信息都需要封装成具体的数据流发送,我们将这些数据划分成了四种类型。

幻灯片14

数据封装好之后就可以利用simple message发送出去了。

幻灯片15

控制器是设计和实现的重点,我们基于ROS中的部分功能包,进行了源码级的移植和优化。在设计时需要注意部分功能对实时性要求较高,我们单独放到了一个ARM裸核里进行处理,最大程度提高实时性。

幻灯片16

硬件上除了六轴本体之外,还可选配多种终端执行器、相机和麦克风阵列。

幻灯片17

基于类似的架构,我们还做过一款工业机械臂,有兴趣的小伙伴可以参考:

功夫手:一款基于ROS的工业机器人

幻灯片18

为了最大程度提高控制器和驱动器的一体化性能,我们还设计了集成伺服驱动算法的SoC。

幻灯片19

精简的平台设计不再需要繁杂的通信和接线,在大大减小控制系统体积和成本的同时,提高了机器人的控制性能。

幻灯片20

以上就是本讲的内容精要,详细讲解过程和仿真/真机演示过程请见具体课程。

幻灯片21

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幻灯片24

 

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9条评论
  1. Gravatar 头像

    荔枝 回复

    胡老师您好,有一问题向您请教,在学习ROS机器人开发实践的Gazebo中的机械臂仿真部分时,在roslaunch marm_gazebo arm_gazebo_control.launch时,出现了如下错误:Could not load controller 'joint1_position_controller' because controller type 'position_controllers/JointPositionController' does not exist. 请问是什么原因,应如何解决?万分感谢!

    • 古月

      古月 回复

      @荔枝 安装ros-control、ros-controllers、gazebo-ros-control

      • Gravatar 头像

        荔枝 回复

        @古月 谢谢,问题解决了。

  2. Gravatar 头像

    刘江 回复

    古月大神,如果希望机械臂的末端一次经过曲线上所有的点,应该怎么实现。万分感谢????

      • Gravatar 头像

        刘江 回复

        @古月 谢谢您的回复,您的意思是不是先通过plan每一个点的轨迹,然后把所有点规划的结果放到一个列表中依次执行?我在仿真的时候发现,如果按照每个点单独去规划,它的轨迹是随机的,如果再把它们拼在一起,合成的轨迹可能不是我希望的一条曲线。我试图把所有点放到路点(非笛卡尔路径规划ok)列表中,通过笛卡尔路径规划,没有任何一个点得到解,不知其故,烦请大神指点迷津。

        • 古月

          古月 回复

          @刘江 就算是在工作范围内,笛卡尔路径规划也不是百分百稳定的,可以写个for循环,多规划几次,另外和使用的运动学求解器也有关系,可以换ikfast试试

  3. Gravatar 头像

    宋星星 回复

    胡老师您好,想请教一个问题,最近学习ROS机器人开发实践时,利用moveit控制gazebo中的机械臂,出现 ABORTED: Solution found but controller failed during execution,gazebo中的机械臂不跟随moveit中的机械臂一起运动,是什么问题?应该怎么解决?谢谢老师。

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