遨博协作机器人ROS开发 - 自定义运动学求解器算法插件
目錄
一、簡(jiǎn)介
二、環(huán)境版本
三、學(xué)習(xí)目標(biāo)
四、知識(shí)儲(chǔ)備
五、任務(wù)實(shí)施
六、任務(wù)拓展
?七、課堂小結(jié)
八、課后練習(xí)
一、簡(jiǎn)介
大家好，歡迎關(guān)注遨博學(xué)院帶來(lái)的系列技術(shù)分享文章（協(xié)作機(jī)器人ROS開(kāi)發(fā)），今天我們來(lái)學(xué)習(xí)一下“自定義運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器算法插件”。
二、環(huán)境版本
- 主機(jī)系統(tǒng)版本：Windwos10 64位
- 處理器型號(hào)：Intel-i7
- 虛擬機(jī)版本：VMware Workstation 16 Pro
- 虛擬機(jī)系統(tǒng)：Ubuntu 18.04.6 LTS
- ROS版本：Melodic
三、學(xué)習(xí)目標(biāo)
四、知識(shí)儲(chǔ)備
下面開(kāi)始介紹本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)：
1.MoveIt!插件機(jī)制
MoveIt!是ROS中一個(gè)重要的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，由一系列功能包組成，提供運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、操作控制、3D感知、運(yùn)動(dòng)學(xué)等功能模塊，是ROS社區(qū)中使用度排名前三的功能包，目前已經(jīng)支持AUBO-E5機(jī)械臂。
MoveIt!中集成了眾多工具集軟件，集成了各種庫(kù)，包括：
運(yùn)動(dòng)規(guī)劃（Motion Planning）：MoveIt!只需提供機(jī)器人URDF模型，就可以調(diào)用幾大運(yùn)動(dòng)規(guī)劃庫(kù)的規(guī)劃算法（如OMPL，SBPL，CHMOP），自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。
軌跡插值（Trajectory Processing）：由于大多數(shù)規(guī)劃器只能返回一系列路徑點(diǎn)，MoveIt!可以根據(jù)機(jī)器人的控制參數(shù)（速度、加速度限制等）重新處理路徑，生成一條帶有時(shí)間戳、位置、速度、加速度信息的完整軌跡。
操作（Manipulation）：根據(jù)識(shí)別的物體生成一系列動(dòng)作抓取物體（pick-and-place）目前MoveIt!本身這部分功能還比較弱，不涉及任何反饋、動(dòng)力學(xué)、re-grasp等操作問(wèn)題。
?
3D感知（Perception）：可以利用傳感器采集的點(diǎn)云或深度圖像，生成用于碰撞檢測(cè)的OctoMap，OctoMap為八叉樹(shù)形式表示點(diǎn)云，可以大大降低存儲(chǔ)空間，同時(shí)，這些3D OctoMap也可以依據(jù)貝葉斯準(zhǔn)則不斷實(shí)時(shí)更新。這樣，機(jī)器人就可以避開(kāi)真實(shí)世界的障礙物了。
運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinematics）：目前可以支持多種運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器，如OpenRave的封閉解ikfast、Orocos的數(shù)值解KDL、考慮關(guān)節(jié)極限的數(shù)值解Trac_ik、用戶(hù)自己定義的基于service的求解器。
碰撞檢測(cè)（Collision Checking）：碰撞檢測(cè)是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的一大難題，如果采用基于采樣的規(guī)劃算法，那么需要對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)做有效性判斷，這時(shí)候就需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。所以，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃需要提供一個(gè)高效的碰撞檢測(cè)算法。FCL（Flexible Collision Library），可以非常快速地實(shí)現(xiàn)各種幾何體（3D面片、OctoMap、基本幾何體）的碰撞檢測(cè)。?
控制（Control）：屬于機(jī)器人控制接口，可以讓MoveIt!發(fā)布機(jī)器人需要的控制指令。
交互（Interaction）：MoveIt!給開(kāi)發(fā)者提供了三種交互方式，直觀的RViz圖形界面、快速編程的Python、豐富的高級(jí)功能的C++。
如右圖所示，MoveIt!中的眾多功能都使用插件機(jī)制集成，并提供了豐富的接口。這樣用戶(hù)可以方便的覆寫(xiě)插件功能，而無(wú)需接觸框架的核心。?
2.MoveIt!運(yùn)動(dòng)學(xué)求解插件
運(yùn)動(dòng)學(xué)插件作為重要的功能模塊，目前使用的主要有以下3個(gè)。
（1）KDL
KDL（Kinematics and Dynamics Library）是MoveIt!中的默認(rèn)運(yùn)動(dòng)學(xué)插件，其有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)在于可求解封閉情況下逆運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)在于速度慢，同時(shí)可能找不到解。
（2）TRAC-IK
TRAC-IK和KDL類(lèi)似，也是一種基于數(shù)值解的運(yùn)動(dòng)學(xué)插件，但是在算法層面上進(jìn)行了很多改進(jìn)，求解效率高了很多。可以直接使用以下命令安裝：
（3）IKFAST
IKFAST是一種基于解析算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)插件，可以求解任意復(fù)雜運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并保證每次求解的一致性，整體來(lái)說(shuō)，IKFAST比較穩(wěn)定快速，一般5us的速度可完成運(yùn)算。
3.MoveIt!運(yùn)動(dòng)插件開(kāi)發(fā)方法
MoveIt!并不提供算法源碼，只是將算法按照約定的方法進(jìn)行封裝，算法是數(shù)學(xué)模型的代碼實(shí)現(xiàn)，和MoveIt!本身并沒(méi)有關(guān)系，如果需要集成功能算法到MoveIt!中，需要編寫(xiě)接口文件，如下圖所示，滿(mǎn)足MoveIt!的插件規(guī)范即可，然后向move_group進(jìn)行注冊(cè)，這樣使用時(shí)即可通過(guò)yaml或launch文件進(jìn)行直接的調(diào)用。
?
?如圖所示。
planning_interface是由moveit_core_package的核心庫(kù)提供，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，方便用戶(hù)集成其他算法。
PlannerConfigurationSettings用于配置參數(shù)。
PlanningContext用于規(guī)劃算法的具體實(shí)現(xiàn)。
PlannerManager用于向MoveIt!注冊(cè)插件，并告知MoveIt!此插件的作用。
PlannerManager實(shí)現(xiàn)時(shí)核心調(diào)用接口是Register，目的是進(jìn)行注冊(cè)。
PlanningContext實(shí)現(xiàn)時(shí)核心調(diào)用接口是solve，包含具體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。
4.自定義運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)
自定義一個(gè)LERPInterface類(lèi)，主要內(nèi)容是重構(gòu)接口函數(shù)，完成自定義的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，在類(lèi)中重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)函數(shù)。
（1）solve函數(shù)，這是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的主要調(diào)用接口，通過(guò)輸入運(yùn)動(dòng)規(guī)劃場(chǎng)景、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的起始和終止位置，返回運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)果。
（2）interpolate函數(shù)，這是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)，包含具體的算法。
自定義一個(gè)LERPPlanningContext類(lèi)，這個(gè)類(lèi)繼承自MoveIt!提供的planning_interface::PlanningContext，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同輸入條件下的solve函數(shù)，terminate終止運(yùn)動(dòng)函數(shù)、clear清除緩存函數(shù)，如下列代碼片段所示。??
自定義一個(gè)LERPPlannerManager 類(lèi)，這個(gè)類(lèi)繼承自MoveIt!提供的planning_interface::PlannerManager，其中，initialize實(shí)現(xiàn)了算法初始化、canServiceRequest實(shí)現(xiàn)該插件是否可以應(yīng)答運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的請(qǐng)求、getDescription實(shí)現(xiàn)了獲取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的字符串描述、getPlanningAlgorithms實(shí)現(xiàn)了獲取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的名稱(chēng)、getPlanningContext實(shí)現(xiàn)對(duì)避障狀態(tài)配置。
如下列代碼片段所示。?
五、任務(wù)實(shí)施
接下來(lái)，我們來(lái)看下替換默認(rèn)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器算法插件為自定義插件，控制虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證算法的有效性的演示。
14.自定義運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器算法插件
六、任務(wù)拓展
恢復(fù)默認(rèn)配置。
完成更換自定義運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器算法插件后，修改配置文件，將運(yùn)動(dòng)學(xué)插件更換為默認(rèn)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器插件，分析相關(guān)配置文件的參數(shù)含義。
?七、課堂小結(jié)
下面我們進(jìn)行課堂小結(jié)：
MoveIt!的功能大部分都是以插件的形式提供，并提供了開(kāi)發(fā)接口，運(yùn)動(dòng)學(xué)、碰撞檢測(cè)、路徑規(guī)劃等功能都可以讓用戶(hù)將自己的算法移植到ROS中，完成對(duì)機(jī)器臂數(shù)學(xué)計(jì)算的驗(yàn)證。
八、課后練習(xí)
最后給大家布置兩道課后習(xí)題。
1.在ROS中，分別更換運(yùn)動(dòng)學(xué)算法插件為KDL、TRAC-IK、IKFAST，完成相同路徑的軌跡規(guī)劃，對(duì)比AUBO-E5機(jī)械臂在不同運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器下的路徑效果。
2.按照例程編寫(xiě)一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器算法插件，熟悉開(kāi)發(fā)流程。
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在接下來(lái)的ROS課程中，我們會(huì)講解Intel RealSense深度相機(jī)ROS驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，歡迎持續(xù)關(guān)注。?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的遨博协作机器人ROS开发 - 自定义运动学求解器算法插件的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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