基于Firmata协议的ROS Moveit六轴机械臂设计

ROS（Robot Operating System，开源机器人操作系统）是目前较为火热的一个一个机器人开发者平台。依赖于强大的资源库和开发者社区，ROS可以说是风靡全球。

在机器人开发的领域，机械臂作为机器人的执行机构至关重要。同样在ROS的系统下面，Moveit和Gazebo对机械臂的开发有着强力的支持。接下来，我来阐述一下目前所设计的一款基于ROS Moveit的机械臂。

 

 

机械臂主体部分

 

 

Moveit仿真部分

 

 

rqt_graph通讯节点关系图

该机械臂是一款六自由度舵机驱动机械臂，各个关节可运动范围为0到180°，其中末端执行机构——机械爪可运动范围0-45°。六个关节使用MG996舵机（13Kg/CM）进行驱动，主控板使用Arduino Nano进行串口通讯控制。

 

 

驱动板PCB视图

 

 

驱动板实物图（换了个DC头）

机械臂的六个关节舵机分别接在Arduino的D3，D5，D6，D9，D10，D11六个具有PWM输出的IO口，D13预留的是其他数字型传感器接口，A0模拟口接了一个LM35温度传感器用于获得当前温度数值，CH预留的是A3模拟口，我们可以使用该口在ROS下实现一个类似示波器的Demo。串口也有留出，可以方便你连接一些无线模块，比如HC-05蓝牙模块。我所使用的无线模块如下。

 

 

无线串口收发模块

我们将该模块的一端插在驱动板，USB端插在电脑，即可进行无线通讯。默认通讯频率115200bps，8位数据位，1位停止位，无校验（8N1模式）。

机械臂的开发，我做了Windows下的上位机和Linux下的ROS功能包两部分，两套程序共用一套底层硬件程序——StandardFirmata。

Firmata是一个PC与MCU通讯的一个常用协议。其遵旨是能与任何主机PC软件包兼容。到目前为止，已经得到不少语言的支持，这样可方便地将对协议的支持加入软件系统中。Firmata起初是针对于PC与Arduino通讯的固件(Firmware)，其目标是让开发者可以通过PC软件完全地控件Arduino。

我们打开Arduino IDE，在文件——示例——Firmata——StandardFirmata，该程序默认的波特率是57600，你可以进行修改。我使用了无线串口模块，所以波特率修改为115200。

 

 

StandardFirmata程序

 

 

在此按照需求修改波特率

至此，我们的底层代码设计到此结束，接下来的就是我们在ROS部分的开发。

我们在ROS下面玩机械臂需要些什么呢？很简单，模型和驱动。

 

 

ROS工作空间下的功能包

arm_driver是我们的一个驱动包，主要是把每个关节的角度值给机械臂执行；marm_description是古月老师在《ROS机械臂开发从入门到实战》课程里面提供的一个URDF模型，这个模型和机械臂很相似，可以直接使用；marm_moveit_config是Moveit配置生成的一个功能包。整套机械臂的开发，除了驱动文件是个人开发之外，模型功能包和Moveit功能包都是依靠古月老师的指导才能完工，在此感谢古月老师。

 

 

marm_description功能包目录

古月老师的模型文件是xacro的模型，有兴趣的同学可以自己下载研究一下，我主要给大家阐述下launch启动文件、CmakeList.txt和package.xml

首先是我们的launch启动文件，内容如下。

 

 

launch启动文件内容

古月老师的注释写的很详细，大家可以看到这个launch文件内容，依次顺序分别为加载机器人模型、显示关节控制插件、发布机器人关节状态、发布tf坐标系、启动RVIZ可视化界面。我们在终端执行roslaunch marm_description view_marm.launch启动代码。

 

 

marm_decription功能包下的view_marm.launch启动效果

可以看到，机械臂模型、关节控制插件、可视化界面都有了，那么机器人关节状态和tf这两个呢？先不要急，我们运行rostopic list查看下当前的话题都有哪些。

 

 

在view_marm.launch启动下的topic情况

可以看到，机器人关节状态话题joint_state和tf两个话题。欧克，接下来我们来看下rqt节点关系图是怎么样的，在终端下输入rqt_graph。

 

 

view_marm.launch运行下的节点关系图

可以看到，joint_state_publisher发布了一个joint_states的话题，被robot_state_publisher订阅到。然后robot_state_publisher发布了一个tf的话题，被rviz订阅到。那么joint_state和tf的内容是什么呢？我们现在来echo一下。在终端输入rostopic echo /joint_state，效果如下。

 

 

view_marm.launch运行下的joint_state内容

我这里给显示了两个数据，大家可以看一下。大家的重点要在name（名字）position（位置）两个参数。我们通常使用0-360°来表示角度，在ROS下面，使用则是圆周来表示角度，范围-3.14到3.14（对应0到180°）。那么此时的0.0则对应的就是180°，到这里为止，我们的在仿真的过程中的角度值也就由此得到。

那么在驱动文件下，我们就可以写一个代码，来订阅这个joint_state来获得角度，然后把这个角度数值传递给我们的Arduino，由此来控制舵机，从而实现控制机械臂。

接下来，我们来建立arm_driver功能包，目录如下。

 

 

arm_driver功能包目录

launch依旧是我们的启动文件，这个内容稍后再说；msg是消息，里面有一个我自己写的角度消息（当时不知道joint_state，自己傻傻的写了一个哈哈，没用，不要理)；重点就是我们的script文件，joint_state_publisher.py是我做的测试文件，有兴趣的可以看一下（代码写的超级烂）。

driver.py是我订阅joint_state话题并向Arduino驱动舵机的功能包，内容如下。

 

 

 

 

功能包下的driver.py代码

rospy是Python和ROS通讯的接口，我们需要订阅的joint_state话题是在sensor_msgs功能包下，这里我们需要导入一下，我们的硬件通讯协议使用的是Firmata协议，Python对于Firmata有着很好的支持，这里可以直接导入。

然后就是声明我们的机械臂了，这里需要串口号和波特率。注意一下，我们需要给串口号最高权限才可以启动。（sudo chmod +777 串口号）。

callback()是回调函数，我们一会来聊。现在主要看driver()函数的内容，可以看到，我们先先初始化了一个节点，叫做Arm_Driver；然后订阅joint_state，数据格式是JointState，对应的执行函数是callback；最后就是spin。

现在来说下回调函数的概念，我们的driver.py是作为订阅者、接收者的方式来获得角度值，属于是被动处理，在我订阅到joint_state消息的时候，driver这里需要做出一个被动执行。所以在订阅收到joint_state消息的时候，我们就去调用callback()函数的内容，去做出对应的执行。

现在我们来看下callback()函数的内容，里面你的内容是六组重复的，对应的分别是Joint1到Joint6六个关节点。我们通过data.position[下标]获得对应关节的数值。没错，我们的虚拟和现实的联动就这样实现了！！！

值得注意的是joint_state的position角度数值是-3.14到3.14，为了适应我的舵机，我给做了一个计算处理，这个计算大家可以自己算一下，在这里我买个关子不做解释（可以遐想到减速比、减速带类机械臂开发）。

通过调用Firmata的函数servo_config()实现控制舵机。关于Python Firmata的内容，我会有专门的文档来介绍这一内容。对了，记得考虑自己的现实情况，给做个角度限位，别把舵机烧了哈哈哈。我的爪子位置只能转到45°，超过45°铁定烧舵机。

到这里，我们的RVIZ仿真和物理机械臂的联动介绍到此结束。关于Moveit的内容还在测试中，敬请期待！