ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模

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2020年8月5日 09时50分

注:本篇博文全部源码下载地址为:Git Repo

1. 下载到本地后解压到当前文件夹然后运行:catkin_make 编译。

2. 源码是在 Ubuntu14.04 + Indigo 环境下编写。

 

一、ROS系统的MoveIt模块简介

 

机器人操作系统ROS目前最受关注的两个模块是导航(Navigation)和机械臂控制(MoveIt!),其中,机械臂控制模块(后面简称MoveIt)可以让用户快速建立机械臂模型并实现机械臂的控制(包括建模、运动学求解、运动规划、避障等),后续我将分几篇博客分别介绍如何一步步使用MoveIt控制自己的机械臂,算是对以前的学习内容的记录和分享。

 

关于MoveIt最全面的讲解可以参考MoveIt官方网站,推荐大家多参考官方文档和例程,这里的博文系列权当简介和入门。

 

如果用几个特点来概括MoveIt,主要有:

  1. 它是属于ROS系统的一部分,用于控制多关节机械臂;
  2. 提供了一系列成熟的插件和工具,可以实现机械臂控制的快速配置;
  3. 封装了大量API,方便用户在MoveIt模块上进行二次开发,进而做出更多有意思的应用。

 

这里借用官方经典图例做简单说明,如下如:

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图

 

上图可以看出:

 

1.MoveIt 的核心节点(node)为move_group,外围的几个部分分别为:ROS Param Server, Robot  Controllers, Robot 3D Sensors, User Interface, Robot Sensors,其中:

 

  • ROS Param Server:这部分载入的是用户定义的模型文件(xacro或urdf)和一些配置文件。(重要)
  • Robot  Controllers:  这部分可以看做是和真正的机器人部分(硬件控制接口)打交道的部分,即运动规划的数据由此发给机器人驱动部分,后续会详细讲解。(重要)
  • Robot 3D Sensors:  这部分作用是载入RGB-D相机或激光雷达等获得的点云数据用于机械手的抓取或避障等。
  • User Interface:         这部分是用户接口,MoveIt提供一系列的API供用户完成自定义的功能,这里主要。(重要)
  • Robot Sensors:        这部分是接收机械臂的传感器数据,然后预估出机器人的状态并发布。

 

二、MoveIt的安装(Ubuntu14.04,Indigo)

 

首先确保你的Linux上正确安装了ROS系统,安装步骤参考:http://wiki.ros.org/indigo/Installation/Ubuntu。然后安装moveit,如果不想挑战源码编译,MoveIt可以用apt-get快速安装,只需要输入:

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

 

三、本系列博文所用双臂机器人简介

 

本系列博文将以一个双臂机器人为例,详细讲解基于MoveIt的使用方法,我为这个双臂机器人取名为:rob,并在Solidworks中简单绘制了该机器人的三维模型,结构示意图如下:

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(1)

Rob结构示意图

 

Rob包含两个手臂,左右对称布局,每个手臂包含5个自由度,关节情况如下图所示。

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(2)

关节分布情况示意图

 

这种关节分布是仿人形的双臂机器人常用的手臂设置形式,但这种结构并不能完全覆盖人手臂所有的自由度(人的手臂包含7个自由度),但用于说明 MoveIt 的使用已经足够了。此外,各个关节的自由度范围如下表所示。

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(3)

 

四、机器人的ROS模型建立

 

这个系列主要介绍机器人ROS模型的建立方法,ROS系统带来的好处之一就是:我们无需自己建立复杂的数学模型来描述自己的机器人几何尺寸、运动学和动力学等,只需要用它提供的模型描述方法即可实现快速建模。

 

ROS系统的模型描述方法主要有两种格式: URDF 和 XACRO。

 

  • URDF:用于描述一些简单的机器人模型,参考官网:URDF官方介绍(初学者一定要精读这些文档)。
  • XACRO: 应用更普遍的机器人模型描述文件,参考官网:xacro,它有如下几个特点:

 

1. 语法简练。采用编程话的脚本语言格式,可以定义变量、常量、引入数学表达式等,极易上手。

2. 方便复用。它可以进行一系列的宏定义,并且可以包含其他.xacro文件。

 

下面,开始用xacro文件建立Rob的机器人模型,完整的源代码可以在:git上获取(git建模源码),下文会截取一部分代码做简要说明。

 

1. 第一部分是文件的头和一些宏定义,robot name我们可以自己随便定义,然后分别给出了几组颜色和常数的定义,最后给出了关节传动部分的宏定义。

 

<?xml version="1.0"?>
<robot name="rob_robot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">

<!-- Include materials -->
    <material name="Black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
    </material>

    <material name="White">
        <color rgba="1.0 1.0 1.0 1.0"/>
    </material>

 

常量的定义方法如下,在引用这里定义的常量的时候,用${XX},例如在如果在下面的代码中想引用M_PI,只需要用:${M_PI} 即可。

<!-- Constants -->
   <property name="deg_to_rad" value="0.01745329251994329577"/>
    <property name="M_PI" value="3.14159"/>

 

关节的传动参数宏定义方法如下,xacro:macro name 定义了本宏的名称,这个名称由用户定义,后续引用该宏的时候就是根据名字来的,具体如何操作参考下文介绍或git上的源代码,注意,这里宏定义内部的一些具体数值仅为说明而存在,具体的机器人关节应该是不一样的。

<!-- transmission block macro definition -->
    <xacro:macro name="transmission_block" params="joint_name">
      <transmission name="tran1">
        <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
        <joint name="${joint_name}">
          <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
        </joint>
        <actuator name="motor1">
          <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
          <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
        </actuator>
      </transmission>
    </xacro:macro>

 

2,base_link的定义。

 

base_link是所有的其他关节的基础,也就是基坐标系所在的link,这里他的几何图形我们直接引用他的dae文件,至于如何用Solidworks绘制模型然后制作成dae文件,后续找机会专门写一篇博客进行介绍,下面的gazebo句段是为了我们的模型在gazebo环境中仿真用的,注意,base_link 只是定义了“机械臂的基座” 它本身是不包含 joint 的。

<!-- BASE LINK AND -->
  <link name="base_link">
      <visual>
            <!-- <origin xyz="-0.22 -0.15 0.00" rpy="0 0 0" />  -->
          <origin xyz="0.1 -0.11 0.13" rpy="0 0 1.570796" /> 
            <geometry>
                <mesh filename="package://rob_description/meshes/body_link_humanoid.dae"/>
            </geometry>
              <material name="green" />
      </visual>

      <collision>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" /> <!--  -->
            <geometry>
                  <mesh filename="package://rob_description/meshes/body_link_humanoid.dae"/>
            </geometry>
    </collision>
  </link>

  <gazebo reference="base_link">
    <material>Gazebo/green</material>
  </gazebo>

 

3.  其他关节的定义。

 

至于其他关节的定义,一个 Link 就对应一个 Joint ,示例如下,这里定义的是 l_shoulder_joint  和 l_shoulder_link。在Joint 的定义中,有一个limit 的程序段,这里规定的是关节的力限制、速度限制和关节运动范围限制,速度限制的单位是m/s(移动关节)或rad/s(转动关节),详细的说面看:这里

 

代码中间: <xacro: …../> 就是引用上文中我们定义的关于传动参数的宏定义。

 

如果在xacro 代码中想用数学表达式,使用的格式是:${ 数学表达式 } ,如下面代码中所示。

 

其余关节的定义详见源代码。

<!-- left shoulder link and joint -->
  <joint name="l_shoulder_joint" type="revolute">  
    <parent link="base_link"/>
    <child link="l_shoulder_link"/>
    <origin xyz="0 0.11 0.74" rpy="0 0 3.14159" />
    <axis xyz="0 1 0" />
    <limit effort="300" velocity="${0.2*0.6981}" lower="-0.43633" upper="3.0543"/><!-- (-25  +175)=(-25 175) -->
    <!-- velocity: m/s for prismatic, rad/s for revolute -->
    <dynamics damping="50" friction="1"/>
  </joint>
 
 <xacro:transmission_block joint_name="l_shoulder_joint"/> 

  <link name="l_shoulder_link">
      <visual>
            <origin xyz="-0.04 0.02 0.04" rpy="1.5708 1.5708 0" /> 
            <geometry>
                <mesh filename="package://rob_description/meshes/l_shoulder_link.dae"/>
            </geometry>
              <material name="green" />
      </visual>

      <collision>
            <origin xyz="-0.04 0.02 0.04" rpy="1.5708 1.5708 0" />
            <geometry>
                <mesh filename="package://rob_description/meshes/l_shoulder_link.dae"/>
            </geometry>
        </collision>>
    <xacro:inertial_matrix mass="1"/>
  </link>

  <gazebo reference="l_shoulder_link">
    <material>Gazebo/green</material>
  </gazebo>

 

4. 将 XACRO文件转换成 URDF 文件 并检查。

 

转换的方法很简单,ROS封装了实现方法,我们只需进入xacro 所在的文件夹,然后键入如下命令即可:

rosrun xacro xacro.py rob.xacro > rob.urdf

 

为了检验我们的模型的准确性,我们进行简单的检查,在同一个目录下输入:

check_urdf rob.urdf

 

即可得到如下图显示,可以看到双臂的关节链接情况。

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(4)

 

为了更直观的观看关节链接情况,我们在同一个目录下输入下面这行命令,就会得到 rob_robot.gv 和 file rob_robot.pdf  两个文件,打开后者如下图所示。

urdf_to_graphiz rob.urdf

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(5)

 

5. 在RViz中观看模型。

 

编写 launch 文件,取名: description.launch ,内容如下:

 

<launch>
    <arg name="model" />

    <!-- Parsing xacro and setting robot_description parameter -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro.py $(find rob_description)/urdf/rob.xacro"/>

    <!-- Setting gui parameter to true for display joint slider -->
    <param name="use_gui" value="true"/>

    <!-- Starting Joint state publisher node which will publish the joint values -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />

    <!-- Starting robot state publish which will publish tf -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

    <!-- Launch visualization in rviz -->
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find rob_description)/urdf/urdf.rviz" required="true" />
</launch>

 

输入命令:

 

roslaunch rob_description description.launch

 

得到:

 

ROS系统MoveIt玩转双臂机器人系列(一)–ROS机器人建模插图(6)

 

转动每个关节,检查无误后,模型建立完成,下一篇经介绍如何使用 MoveIt 控制 Rob 机器人。

 

6. Tips 建模常见错误:

 

问题1:如果在查看模型时发现错误提示:No transform from [xxxx] to [base_link]

解决办法:出现这个错误首先要怀疑是你的xacro描述文件编写的格式出现了错误,如头部多了空格、中间关键字拼写错误等,建议耐下心来逐行逐句检查语法。

 

问题2: 源码中和xacro文件同一目录的 urdf.rviz 文件是什么作用?

答:所有的  .rviz 文件都是 Rviz 的配置文件,这里我们在launch 文件中制定了他的配置文件,如果不指定Rviz 启动时会读取默认的配置文件,用户可以根据需求启动Rviz后在左上角工具栏上保存自己满意的配置文件。

 

<– 本篇完 –>

 

本文转载自博客园,原文链接:https://www.cnblogs.com/shawn0102/p/8654407.html

 

 

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