【从零开始的ROS四轴机械臂控制】(一)- 实际模型制作、Solidworks文件转urdf与rviz仿真

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2020年12月22日 09时08分

前记:

 

之前学习了很多关于ROS的知识,现在想自己制作一个四轴器械臂来练练手。所以就定为arm0.1版本,使用MG90s舵机来搭建一个四轴机械臂。arm0.1版本的目标是对不同颜色的方块进行分类并在Gazebo中模拟出来。

 

微信图片_20201212175450

 

在未来计划的arm1.0版本中,计划使用步进电机来搭建六轴机械臂,使用上RL,实现人机交互,希望能在下个学期完成它。

 

一、模型制作

 

1.实际模型制作

 

首先是实际模型的制作,就使用3d打印机制作了。我使用的是ANYCUBIC的一款打印机,主要是因为价格便宜,性价比比较高,而且安装也不用太花时间,使用下来稳定性还不错。

 

四轴机械手网上的模型挺多的,我这里采用https://www.thingiverse.com/thing:34829提供的模型,这个模型设计中有考虑误差,所以打印基本一次成型。

 

以下是网站中提供的图片。

 

微信图片_20201212175506

 

实际模型打印出如下图。比较需要注意的夹爪部分的齿轮,打印出来的尺寸和模型给出来的尺寸还是有区别的。因为是齿轮结构,对精准度要求比较高,需要打印几次才能成功。

 

微信图片_20201212175519

 

舵机我采用MG90s,毕竟我手头只有这个版本的舵机。舵机控制使用16路舵机驱动控制模块PCA9685:

 

微信图片_20201212175539

 

用arduino UNO控制,接线如图所示:

 

微信图片_20201212175554

 

图片来源见水印,关于PCA9685模块的使用可以参考相关博客:Arduino uno使用PCA9685模块实现16路舵机控制

 

微信图片_20201212175609

 

以上是这个项目目前的框图,有很多细节没有标清楚,只标出了硬件部分,其它的在未来会慢慢补全。

 

全程使用VM虚拟机,在未来arm1.0版本中可能使用Raspberry pi来控制,只把图像处理和模拟部分放在PC上。

 

然后测试了我所使用的这个USB摄像头,发现其好像无法接到虚拟机中。然后考虑到价格问题,还是觉得没有必要买个新的摄像头,要实现对不同颜色的方块进行分类,完全可以在gazebo中模拟出来。arduino和虚拟机的连接是没有问题的,可以正常使用虚拟机进行下载程序。关于arduino如何与ros进行连接,将在以后的博文中进行说明。

 

2.Solidworks模型制作

 

Solidworks使用的是2017版本。因为之前提供模型的网站只提供stl文件,stl导入solidworks中的文件基本无法使用,所以就决定自己画了。因为是模拟,所以精度不是太高。只是简单的制作了其结构,夹爪部分感觉比较麻烦,也没有制作。最后使用了Solidworks自带的渲染工具,其效果如下图。

 

微信图片_20201212175624

 

模型建好了就可以使用相关插件导出到urdf了。

 

二、Solidworks文件转urdf

 

URDF(Universal Robot Description Format)——通用机器人描述格式,它是ROS里边使用的一种机器人的描述文件,包含的内容有:连杆、关节,运动学和动力学参数、可视化模型、碰撞检测模型等。

 

1.sw_urdf_exporter插件

 

要将arm.SLDASM文件导出为urdf文件,sw_urdf_exporter插件是必不可少的。

 

微信图片_20201212175644

 

1.5.1版本中提供了exe文件,下载完成后直接安装就可以了。之后就可以在插件栏找到它。

 

微信图片_20201212175702

 

我的2017版本的solidworks的导出urdf选项在:工具–>File –>Export as urdf

 

我当时一度以为该选项在文件选项栏,试了各种方法找不到导出选项,最后发现它在工具选项栏…真的是白白浪费了我几个小时的时间

 

2. 添加坐标系和转轴

 

导出urdf文件的插件没有问题后,接下来就要为导出urdf文件做准备了,首先是为我们的模型添加坐标系和转轴。

转轴添加比较简单,有很多添加方法。我使用的是选择某一个圆柱面添加。

坐标系是需要确定坐标系原点,在选择x,y,z的方向。

 

所以一个建议是首先确定axis0-3,再确定coordinate0-4。

 

微信图片_20201212175719

 

3.导出urdf文件

 

在主界面打开,工具–>File –>Export as urdf,按照我图片中给出的顺序进行操作。注意不要选到别的地方,在点击Export之前,所有操作都不会保存。我尝试了几次才正确的导出的。

 

微信图片_20201212175737

 

点击Rreview and Export之后,出现以下窗口,记得填写limit部分

 

微信图片_20201212175755

 

微信图片_20201212175809

 

导出后,生成文件如下:

 

微信图片_20201212175832

 

其中文件作用如下:
• scripts (python 可执行文件)
• src (C++ source files)
• msg (for custom message definitions)
• srv (for service message definitions)
• include -> 需要作为依赖项的头/库
• config -> 配置文件
• launch -> 提供更自动化的启动节点方式
• urdf (通用机器人描述文件)
• meshes (CAD文件.dae (Collada)或.stl (STereoLithography)格式)
• worlds (用于Gazebo模拟环境的类似XML的文件)

 

4.参考博客

 

导出urdf文件我参考了以下博客,
1.【ROS学习】Solidworks模型转化为URDF文件格式+三连杆机械臂示例+逆运动学
2. ROS Wiki sw_urdf_exporter

 

三、rivz仿真

 

1.rivz仿真

 

将导出的文件复制到~/catkin_ws/src目录下.

修改display.launch文件,其在launch文件夹下。

将default的值从False改为True,否则无法打开Joint State Publish工具。

 

  <arg
    name="gui"
    default="False" />//将False改为True
...

 

运行命令打开文件

 

cd ~/catkin_ws
source devel/setup.bash
catkin_make
roslaunch arm0 display.launch

 

之后我们就可以打开RViz了,但是现在没有任何模型加载。

解决方法是,首先在Fixed Frame栏中选中自己定义的链接名称。

 

微信图片_20201212175917

 

之后点击左下角的“Add”来添加我们的模型。

 

微信图片_20201212175938

 

选择RobotModel,然后点击‘OK’。

 

微信图片_20201212175958

 

之后模型就可以加载出来了,然后移动鼠标经行缩放移动,或者可以使用Joint State Publish来调整关节角度。

 

微信图片_20201212180018

 

注意Joint State Publish的调整范围是根据之前设定的limit。

 

微信图片_20201212180041

 

2.借助MoveIt!在rviz中进行逆运动学测试

 

使用Moveit!提供的setup_assistant来配置机械臂的package文件,需要使用到上一部分生成的URDF文件。
使用命令

 

roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch

 

打开assistant后点击Create New Moveit Configuration Package 导入URDF文件,我的urdf文件路径如图片所示

 

微信图片_20201212180113

 

设置Self-Collision,点击Generate Collsion Matrix :

 

微信图片_20201212180136

 

设置Virtual Joints,Parent Frame Name设为world_frame,save完成后如下图所示。相关名称可以参考图片中的名称。

 

微信图片_20201212180204

 

设置Planning Groups名称

 

微信图片_20201212180229

 

选择运动学求解器,然后点击Add Kin. Chain。然后把base_link设置为Base Link,把link4设置为Tip Link:

 

微信图片_20201212180252

 

设置Robot Pose,和作者邮箱。

然后设置保存路径,如下图所示。点击Generate Package。

 

微信图片_20201212180318

 

文件如下图所示:

 

微信图片_20201212180347

 

运行命令

 

cd ~/catkin_ws/src/config/launch/
roslaunch demo.launch

 

运行如下图所示。

 

例如,我们可以通过调整红框中的部分来进行逆运动学模拟。

 

微信图片_20201212180428

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