ROS探索总结(二十五)——MoveIt基础

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MoveIt!由ROS中一系列移动操作的功能包组成,包含运动规划,操作控制,3D感知,运动学,碰撞检测等等,而且提供友好的GUI。官方网站:http://moveit.ros.org/,上边有MoveIt!的教程和API说明。

一、架构

下图是MoveIt的总体框架:

clip_image002

 

move_groupMoveIt的核心部分,可以综合机器人的各独立组件,为用户提供一系列需要的动作指令和服务。从架构图中我们可以看到,move_group类似于一个积分器,本身并不具备丰富的功能,主要做各功能包、插件的集成。它通过消息或服务的形式接收机器人上传的点云信息、joints的状态消息,还有机器人的tf tree,另外还需要ROS的参数服务器提供机器人的运动学参数,这些参数会在使用setup assistant的过程中根据机器人的URDF模型文件,创建生成(SRDF和配置文件)。

官网的说明:http://moveit.ros.org/documentation/concepts/

二、安装

   MoveIt的安装很简单,使用下边的命令即可:

sudo apt-get install ros-indigo-moveit-full

 

下边会使用《master ros for robotics programming》里的案例进行学习,在工作空间里git下来源码:

git clone https://github.com/qboticslabs/mastering_ros.git

三、setup配置

使用MoveIt!的第一步是要使用 Setup Assistant工具完成一些配置工作。Setup Assistant会根据用户导入的机器人的urdf模型,生成SRDF( Semantic Robot Description Format)文件,从而生成一个MoveIt!的功能包,来完成机器人的互动、可视化和仿真。

首先,来运行setup assistant

rosrun moveit_setup_assistant moveit_setup_assistant

在出现的界面左侧,可以看到我们接下来需要配置的步骤。

clip_image004

3.1 加载URDF

这里有两个选择,一个是新建一个配置功能包,一个是使用已有的配置功能包,我们选择新建,在源码中找到urdf文件。如果已有配置功能包,那么新建后会覆盖原有的文件。

clip_image006

从右边的窗口我们看到导入的机器人模型。

3.2 Self-Collision

    然后点击左侧的第二项配置步骤,配置自碰撞矩阵,MoveIt!可以让我们设置一定数量的随机采样点,根据这些点生成配装参数,可想而知,过多的点会造成运算速度慢,过少的点会导致参数不完善,默认的采样点数量是10000个,官方称经过实践,要获得不错的效果,10000是最低要求,我们就按照这个默认值生成碰撞矩阵。

clip_image008

3.3 Virtual Joints

     虚拟关节主要是用来描述机器人在world坐标系下的位置,如果机器人是移动的,虚拟关节可以与移动基座关联,不过一般的机械臂都是固定不动的,所以也可以不需要虚拟关节。

3.4 Planning Groups

这一步可以将机器人的多个组成部分(linksjoints)集成到一个组当中,运动规划会针对一组linksjoints完成运动规划,在配置个过程中还可以选择运动学解析器( kinematic solver)。这里创建两个组,一个是机械臂部分,一个是夹具部分。

clip_image010

 

clip_image012

3.5 Robot Poses

     这里可以设置一些固定的位置,比如说机器人的零点位置、初始位置等等,当然这些位置是用户根据场景自定义的,不一定要和机器人本身的零点位置、初始位置相同。这样做的好处就是我们使用MoveIt!的API编程时,可以直接调用这些位置。

clip_image014

3.6 End-Effectors

机械臂在一些实用场景下,会安装夹具等终端结构,可以在这一步中添加。

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3.7 Passive Joints

机器人上的某些关节,可能在规划、控制过程中使用不到,可以先声明出来,这里没有就不用管了。

3.8 Configuration Files

最后一步,生成配置文件。一般会取名 robot_name_moveit_config。这里,会提示覆盖已有的配置文件。

clip_image018

OK,现在已经完成配置了,可以退出 Setup Assistant运行demo看看:

clip_image020

这个界面是在rviz的基础上加入了MoveIt!插件,通过左下角的插件,我们可以选择机械臂的目标位置,进行运动规划。

拖动机械臂的前端,可以改变机械臂的姿态,在planning页面,点击“Plan and Execute”MoveIt!开始规划路径,并且可以看到机械臂开始向目标位置移动了!

clip_image022

四、运动规划

     看过直观效果之后,我们来分析一下运作的机理。

     假设我们已知机器人的初始姿态和目标姿态,以及机器人和环境的模型参数,那么我们就可以通过一定的算法,在躲避环境障碍物和放置自身碰撞的同时,找到一条到达目标姿态的较优路径,这种算法就称为机器人的运动规划。机器人和环境的模型静态参数由URDF文件提供,在默写场景下还需要加入3D摄像头、激光雷达来动态检测环境变化,避免与动态障碍物发生碰撞。

4.1 motion_planner

     MoveIt中,运动规划算法由运动规划器完成,当然,运动规划算法有很多,每一个运动规划器都是MoveIt的一个插件,可以根据需求选用不同的规划算法。,move_group 默认使用的是OMPL算法(http://ompl.kavrakilab.org/ )。

clip_image024

     运动规划的流程如上图所示,首先我们需要发送一个运动规划的请求(比如说一个新的终端位置)给运动规划器,当然,运动规划也不能随意计算,我们可以根据实际情况,设置一些约束条件:

l  位置约束:约束link的位置

l  方向约束:约束link的运动方向

l  可见性约束:约束link上的某点在某区域的可见性(通过视觉传感器)

l  joint约束:约束joint的运动范围

l  用户定义约束:用户通过回调函数自定义一些需要的约束条件。

     根据这些约束条件和用户的规划请求,运动规划器通过算法计算求出一条合适的运动轨迹,并回复给机器人控制器。

     上图的运功规划器两侧,还分别有一个planning request adapters这个东东是干什么的呢?从名称上我们大概可以猜出来,planning request adapters作为一个适配器接口,主要功能是预处理运功规划请求和响应的数据,使之满足规划和使用的需求。adapters带有一个s,可见适配器的种类还不只一种,以下是MoveIt!默认使用的一些适配器:

l  FixStartStateBounds:如果一个joint的状态稍微超出了joint的极限,这个adapter可以修复joint的初始极限。

l  FixWorkspaceBounds:这个adapter可以设置一个10m*10m*10m的规划运动空间。

l  FixStartStateCollision:如果已有的joint配置文件会导致碰撞,这个adapter可以采样新的碰撞配置文件,并且根据一个 jiggle_factor因子修改已有的配置文件。

l  FixStartStatePathConstraints:如果机器人的初始姿态不满足路径约束,这个adapter可以找到附近满足约束的姿态作为机器人的初始姿态。

l  AddTimeParameterization:运动规划器规划得出的轨迹只是一条空间路径,这个adapter可以为这条空间轨迹进行速度、加速度约束,我们可以通过rostopic echo查看规划的路径数据,这个adapter其实就是把空间路径按照距离等分,然后在每个点加入速度、加速度、时间等参数。

4.2 Planning Scene

clip_image026

planning scene可以为机器人创建一个具体的工作环境,加入一些障碍物。

clip_image028

这一功能主要由move group节点中的planning scene monitor来实现,主要监听:

l  State Information joint_states topic

l  Sensor Information the world geometry monitor,视觉传感器采集周围环境数据

clip_image030

l  World geometry information planning_scene topic

4.3 Kinematics

运动学算法是机械臂各种算法中的核心,尤其是反向运动学算法( inverse kinematics IK)。MoveIt!使用插件的形式可以让用户灵活的选择需要使用的反向运动学算法,也可以选择自己的算法。

MoveIt!中默认的IK算法是 numerical jacobian-based算法。关于算法,可以参考:

l  http://roswiki.com/read.php?tid=402

l  http://roswiki.com/read.php?tid=535&fid=9

4.4 Collision Checking

MoveIt使用 CollisionWorld 对象进行碰撞检测,采用FCL Flexible Collision Libraryhttp://gamma.cs.unc.edu/FCL/fcl_docs/webpage/generated/index.html)功能包。碰撞检测是运动规划中最耗时的运算,往往会占用90%左右的时间,为了减少计算量,可以通过设置ACM( Allowed Collision Matrix )来进行优化,如果两个bodys之间的ACM设置为1,则意味着这两个bodys永远不会发生碰撞,不需要碰撞检测。


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评论

3条评论
  1. Gravatar 头像

    moveit!新手 回复

    古月大神,您好。
    请问一下,在RVIZ里面显示了机械臂的初始和目标状态,而且可以更新
    但是plan and execute 总是显示failed 怎么解决呀?
    谢谢~
    以下是报错
    [ WARN] [1493106880.035669047]: The root link base_link has an inertia specified in the URDF, but KDL does not support a root link with an inertia. As a workaround, you can add an extra dummy link to your URDF.

    [ WARN] [1493106895.866520376]: Unable to find a random collision free configuration after 100 attempts

    Unable to find a valid state nearby the start state (using jiggle fraction of 0.050000 and 100 sampling attempts). Passing the original planning request to the planner.

    [ WARN] [1493106905.152040983]: RRTConnect: Skipping invalid start state (invalid state)
    [ERROR] [1493106905.154846833]: RRTConnect: Motion planning start tree could not be initialized!

  2. Gravatar 头像

    JF 回复

    古月,您好,不知道怎么能联系上您,所以只能给您留言了,我是上海哲谦应用科技的,说大了就是看你的文章在学习,直接点就是想找您合作,方便的话,您能把你的联系方式发到我的邮箱吗?zzhang0617@163.com 希望您能看到我的这条留言,也希望您能给我发个联系邮件,我们具体谈,谢谢!

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