使用ROS與Movelt實(shí)現(xiàn)myCobot 280運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和控制

ROS的技術(shù)案例
Introduction
今天這篇文章將記錄我使用myCobot 280 M5stack 在ROS當(dāng)中是如何使用的。為什么使用ROS呢，因?yàn)樘峒暗?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/42-101/" target="_blank">機(jī)器人都離不開(kāi)ROS這個(gè)操作系統(tǒng)，今天是我們第一次使用ROS這個(gè)系統(tǒng)。

今天我將從ROS的介紹，環(huán)境的配置以及mycobot280 在ROS當(dāng)中的使用。

ROS
ROS（Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng)）是一個(gè)用于編寫(xiě)機(jī)器人軟件的靈活的框架。它是一個(gè)半開(kāi)源的項(xiàng)目，為研究人員和開(kāi)發(fā)者提供了一套工具和庫(kù)，以幫助他們創(chuàng)建各種機(jī)器人應(yīng)用。ROS主要用于研究和開(kāi)發(fā)各種機(jī)器人系統(tǒng)，如自動(dòng)駕駛車(chē)輛、服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。它使得機(jī)器人的開(kāi)發(fā)更加高效，也使得機(jī)器人的功能更加強(qiáng)大和靈活。ROS操作系統(tǒng)目前最受關(guān)注的兩個(gè)模塊是導(dǎo)航（navigation）和機(jī)械臂控制（moveit）其中moveit可以讓用戶快速建立機(jī)械臂模型并實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制，例如建模，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，避障等功能。介于有這么一個(gè)強(qiáng)大的系統(tǒng)，我想用它來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)一些機(jī)械臂的避障，路徑規(guī)劃等功能。

環(huán)境配置
ROS主要支持Ubuntu（Linux），Mac OS（缺少部分的支持）這些操作系統(tǒng)，最常見(jiàn)的還是在ubuntu系統(tǒng)上使用。我電腦安裝的是ubuntu18.04版本，Ubuntu18對(duì)應(yīng)的ROS版本是melodic，不同版本的ubuntu對(duì)應(yīng)不同ROS版本。

ubuntu16.04-kinetic
ubuntu18.04-melodic
ubuntu20.04-noetic
由于我電腦已經(jīng)安裝好了系統(tǒng)以及ROS環(huán)境，這邊就不一一記錄了，主要還是記錄ROS當(dāng)中的操作。 關(guān)于ubuntu系統(tǒng)的安裝和ROS環(huán)境的搭建大家可以在Google當(dāng)中搜索，ROS官網(wǎng)也有詳細(xì)的安裝教程。

ROS: Getting Started

我今天使用的場(chǎng)景是moveit控制機(jī)械臂，所以對(duì)于電腦硬件的需求不高，這邊注意如果是使用SLAM雷達(dá)導(dǎo)航等功能，可能就需要高配一些的電腦來(lái)處理運(yùn)算能力。

檢測(cè)自己是否安裝完成ROS的標(biāo)準(zhǔn)，打開(kāi)終端輸入“roscore”，出現(xiàn)跟下圖一樣的內(nèi)容代表安裝成功了。

讓我們開(kāi)始使用ROS吧。

ROS的使用
在ROS當(dāng)中創(chuàng)建一個(gè)機(jī)械臂，并且使用一些路徑規(guī)劃的功能需要執(zhí)行以下步驟。

創(chuàng)建URDF的文件，也就是機(jī)械臂的模型
將URDF文件加載到ROS服務(wù)器當(dāng)中
使用RViz進(jìn)行可視化
創(chuàng)建MoveIt配置包
使用MoveIt進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃
創(chuàng)建URDF文件
首先咱得創(chuàng)建機(jī)械臂的URDF（Unified Robot Description Format）文件，這個(gè)文件至關(guān)重要，因?yàn)闄C(jī)械臂的3D模型，這個(gè)文件描述了機(jī)械臂的屬性，如關(guān)節(jié)，鏈接和傳感器。由于該產(chǎn)品是大象機(jī)器人的一款機(jī)械臂myCobot 280 M5Stack，大象機(jī)器人在Github有提供myCobot 280的URDF文件描述了機(jī)械臂的一些物理屬性。

https://github.com/elephantrobotics/mycobot_ros/tree/noetic/mycobot_description/urdf

如何生成urdf文件：

需要使用CAD軟件制作模型，確保制作的3D模型跟實(shí)際的機(jī)械臂尺寸一致。因?yàn)閷?dǎo)出的模型要是一個(gè)可以被ROS接受的格式，通常是DAE（collada）文件。

將URDF加載到ROS服務(wù)器
創(chuàng)建ROS包
創(chuàng)建一個(gè)存放URDF文件的包，在終端執(zhí)行下面的代碼

catkin_create_pkg mycobot_description rospy std_msgs sensor_msgs

其中‘rospy’，‘std_msgs'和’sensor_msgs'是ROS的依賴(lài)包

將生成的urdf文件添加到mycobot_description/urdf的目錄下

創(chuàng)建啟動(dòng)文件
在mycobot_description/launch目錄下創(chuàng)建一個(gè)load_urdf.launch文件，在其中添加以下內(nèi)容

啟動(dòng)ROS文件qi
我們?cè)诖蜷_(kāi)終端輸入下面的命令。

roslaunch my_robot_description load_urdf.launch

運(yùn)行完之后，就可以在RViz當(dāng)中看到我們創(chuàng)建的模型了。

配置MoveIt
啟動(dòng)MoveIt Setup Assistant：

在終端中，運(yùn)行以下命令來(lái)啟動(dòng)MoveIt Setup Assistant：

roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch

在MoveIT當(dāng)中加載URDF

在MoveIt Setup Assistant的主界面，點(diǎn)擊“Create New MoveIt Configuration Package”按鈕。然后，在彈出的對(duì)話框中，選擇我的URDF文件（在ROS參數(shù)robot_description中）。點(diǎn)擊“Load Files”按鈕來(lái)加載你的URDF文件。顯示下圖就加載成功了。

配置我的機(jī)器人

根據(jù)自己的需求來(lái)配置自己的機(jī)器人。這里簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)配置：

Self-Collisions：MoveIt會(huì)自動(dòng)計(jì)算你的機(jī)器人的自碰撞矩陣。可以點(diǎn)擊“Regenerate Default Collision Matrix”按鈕來(lái)生成默認(rèn)的自碰撞矩陣。
Virtual Joints：可以為你的機(jī)器人定義虛擬關(guān)節(jié)。虛擬關(guān)節(jié)通常用于連接你的機(jī)器人和世界。
Planning Groups：可以定義你的機(jī)器人的規(guī)劃組。規(guī)劃組是一組需要一起移動(dòng)的關(guān)節(jié)和鏈。例如，你可以創(chuàng)建一個(gè)包含所有手臂關(guān)節(jié)的規(guī)劃組。
Robot Poses：可以定義你的機(jī)器人的預(yù)設(shè)姿態(tài)。預(yù)設(shè)姿態(tài)可以在規(guī)劃中被重復(fù)使用。
運(yùn)行moveit

配置完成之后會(huì)生成.launch的文件，我們運(yùn)行它就可以在moveit中使用機(jī)械臂了。

我們來(lái)看看moveit的功能如何進(jìn)行路徑規(guī)劃，拖動(dòng)機(jī)械臂末端的坐標(biāo)，可以對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的變化，也可以隨機(jī)生成路徑。

物體避障

我們?cè)趍oveit中添加一個(gè)障礙物讓機(jī)械臂進(jìn)行避障，添加一個(gè)方塊，讓機(jī)械臂在做軌跡的時(shí)候繞過(guò)它。

除此之外moveit還有許多功能例如，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可以為多關(guān)節(jié)的機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，避免碰撞，并且還可以是用多種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法RRT,EST,LBKPIECE等；碰撞檢測(cè)，可以進(jìn)行復(fù)雜的3D碰撞檢測(cè)，包括子碰撞和環(huán)境碰撞（障礙物）；仿真，可以于gazebo機(jī)器人仿真器繼承，進(jìn)行真實(shí)的物理仿真等等功能。

總結(jié)
MoveIt提供了一套完整的工具集，可以用于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制的研究，無(wú)需從頭開(kāi)始構(gòu)建復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。這可以使得開(kāi)發(fā)人員將更多的經(jīng)理集中在實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用功能上，而不是解決底層的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制問(wèn)題上。總的來(lái)說(shuō)，ROS和MoveIt為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。它們不僅降低了開(kāi)發(fā)難度，提高了開(kāi)發(fā)效率，而且還推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。無(wú)論你是機(jī)器人技術(shù)的研究者，還是實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者，ROS和MoveIt都將是你不可或缺的工具。

我在未來(lái)也會(huì)繼續(xù)探索更多的機(jī)械臂項(xiàng)目，并不定期分享我的發(fā)現(xiàn)和成果。如果你發(fā)現(xiàn)本文中有一些錯(cuò)誤歡迎跟我進(jìn)行溝通，如果你喜歡這篇文章留下你的點(diǎn)贊和評(píng)論是對(duì)我最大的支持！

審核編輯 黃宇