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机器人操作系统ROS(九):MoveIt!与机械臂控制_ros moveit

ros moveit

MoveIt!简介

MoveIt!是在2012年在PR2与多个机械臂功能包的基础上集成得到的ROS软件包,它为开发者提供了一个易于使用的集成化开发平台,由一系列移动操作的功能包组成,包括运动规划、操作控制、3D感知、运动学、控制与导航算法等,且提供友好的GUI,可以广泛应用于工业、商业、研发和其他领域。

使用MoveIt!实现机械臂控制的四个步骤:

  1. 组装:在控制之前需要有机器人,可以是真实的机械臂,也可以是仿真的机械臂,但都要创建完整的机器人URDF模型。
  2. 配置:使用MoveIt!控制机械臂之前,需要根据机器人的URDF模型,再使用Setup Assistant工具完成自碰撞矩阵、规划组、终端夹具等配置,配置完成后生成一个ROS功能包。
  3. 驱动:使用ArbotiX或者ros_control功能包中的控制器插件,实现对机械臂关节的驱动。插件的使用方法一般分为两步:首先创建插件的YAML配置文件,然后通过launch文件启动插件并加载配置参数。
  4. 控制:MoveIt!提供了C++、Python、rviz插件等接口,可以实现机器人关节空间和工作空间下的运动规划,规划过程中会综合考虑场景信息,并实现自主避障的优化控制。

关于MoveIt!安装与使用的更多内容可见教程

MoveIt!系统架构

move_group是MoveIt!的核心节点,可以综合其他独立的功能组件作为用户提供ROS中的动作指令和服务。move_group本身并不具备丰富的功能,主要完成各功能包、插件的集成。它通过话题(Topic)的方式接收机器人发布的传感器信息、关节状态信息,以及机器人的TF坐标变换;它通过服务(Service)的方式运动规划器和运动学求解器通信;它还通过动作(Action)的方式向机器人控制器发送规划结果,并接受机器人执行情况的反馈;另外,还需要ROS参数服务器提供机器人的运动学参数,这些参数可根据机器人的URDF模型生成(SRDF和配置文件)。
在这里插入图片描述

MoveIt!编程与机械臂控制

MoveIt!的move_group提供了丰富的C++和Python的编程API,可以帮助我们完成更多运动控制的相关功能,接下来主要以Python API为例,介绍MoveIt!的编程方法。

关节空间规划

关节空间运动是以关节角度为控制量的机器人运动。机械臂关节空间的规划不需要考虑机器人终端的姿态。
使用如下命令实现MArm关节空间下的运动测试:

roslaunch marm_planning arm_planning.launch
rosrun marm_planning moveit_fk_demo.py
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marm_planning/scripts/moveit_fk_demo.py的源码如下:

import rospy, sys
import moveit_commander

class MoveItFkDemo:
    def __init__(self):
        # 初始化move_group的API
        moveit_commander.roscpp_initialize(sys.argv)

        # 初始化ROS节点
        rospy.init_node('moveit_fk_demo', anonymous=True)
 
        # 初始化需要使用move group控制的机械臂中的arm group
        arm = moveit_commander.MoveGroupCommander('manipulator')
        
        # 设置机械臂运动的允许误差值
        arm.set_goal_joint_tolerance(0.001)

        # 设置允许的最大速度和加速度
        arm.set_max_acceleration_scaling_factor(0.5)
        arm.set_max_velocity_scaling_factor(0.5)
        
        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
         
        # 设置机械臂的目标位置,使用六轴的位置数据进行描述(单位:弧度)
        joint_positions = [0.391410, -0.676384, -0.376217, 0.0, 1.052834, 0.454125]
        arm.set_joint_value_target(joint_positions)
                 
        # 控制机械臂完成运动
        arm.go()
        rospy.sleep(1)

        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
        
        # 关闭并退出moveit
        moveit_commander.roscpp_shutdown()
        moveit_commander.os._exit(0)

if __name__ == "__main__":
    try:
        MoveItFkDemo()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass
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工作空间规划

工作空间规划是通过机器人终端的三维坐标位置和姿态给定,在运动规划时使用逆向运动学求解各轴位置。
使用如下命令实现MArm工作空间下的运动测试:

roslaunch marm_planning arm_planning.launch
rosrun marm_planning moveit_ik_demo.py
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marm_planning/scripts/moveit_ik_demo.py的源码如下:

import rospy, sys
import moveit_commander
from geometry_msgs.msg import PoseStamped, Pose


class MoveItIkDemo:
    def __init__(self):
        # 初始化move_group的API
        moveit_commander.roscpp_initialize(sys.argv)
        
        # 初始化ROS节点
        rospy.init_node('moveit_ik_demo')
                
        # 初始化需要使用move group控制的机械臂中的arm group
        arm = moveit_commander.MoveGroupCommander('manipulator')
                
        # 获取终端link的名称
        end_effector_link = arm.get_end_effector_link()
                        
        # 设置目标位置所使用的参考坐标系
        reference_frame = 'base_link'
        arm.set_pose_reference_frame(reference_frame)
                
        # 当运动规划失败后,允许重新规划
        arm.allow_replanning(True)
        
        # 设置位置(单位:米)和姿态(单位:弧度)的允许误差
        arm.set_goal_position_tolerance(0.001)
        arm.set_goal_orientation_tolerance(0.001)
       
        # 设置允许的最大速度和加速度
        arm.set_max_acceleration_scaling_factor(0.5)
        arm.set_max_velocity_scaling_factor(0.5)

        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
               
        # 设置机械臂工作空间中的目标位姿,位置使用x、y、z坐标描述,
        # 姿态使用四元数描述,基于base_link坐标系
        target_pose = PoseStamped()
        target_pose.header.frame_id = reference_frame
        target_pose.header.stamp = rospy.Time.now()     
        target_pose.pose.position.x = 0.2593
        target_pose.pose.position.y = 0.0636
        target_pose.pose.position.z = 0.1787
        target_pose.pose.orientation.x = 0.911822
        target_pose.pose.orientation.y = -0.0269758
        target_pose.pose.orientation.z = 0.285694
        target_pose.pose.orientation.w = -0.293653
        
        # 设置机器臂当前的状态作为运动初始状态
        arm.set_start_state_to_current_state()
        
        # 设置机械臂终端运动的目标位姿
        arm.set_pose_target(target_pose, end_effector_link)
        
        # 规划运动路径
        traj = arm.plan()
        
        # 按照规划的运动路径控制机械臂运动
        arm.execute(traj)
        rospy.sleep(1)

        # 控制机械臂终端向右移动5cm
        arm.shift_pose_target(1, -0.05, end_effector_link)
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
  
        # 控制机械臂终端反向旋转90度
        arm.shift_pose_target(3, -1.57, end_effector_link)
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
           
        # 控制机械臂回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()

        # 关闭并退出moveit
        moveit_commander.roscpp_shutdown()
        moveit_commander.os._exit(0)

if __name__ == "__main__":
    MoveItIkDemo()
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笛卡尔运动规划

工作空间的运动规划并没有对机器人终端轨迹有任何约束,目标位姿给定后,可以通过运动学反解获得关节空间下的各轴位置(即角度),接下来的规划和运动仍然在关节空间下完成。笛卡尔运动规划不仅考虑机械臂的起始位姿,还考虑了运动过程中的位姿约束。
使用如下命令实现MArm笛卡尔运动规划测试:

roslaunch marm_planning arm_planning_with_trail.launch
# 带路径约束的运动规划
rosrun marm_planning moveit_cartesian_demo.py _cartesian:=True
# 不带路径约束的运动规划
rosrun marm_planning moveit_cartesian_demo.py _cartesian:=False
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marm_planning/scripts/moveit_cartesian_demo.py的源码如下:

import rospy, sys
import moveit_commander
from moveit_commander import MoveGroupCommander
from geometry_msgs.msg import Pose
from copy import deepcopy

class MoveItCartesianDemo:
    def __init__(self):
        # 初始化move_group的API
        moveit_commander.roscpp_initialize(sys.argv)

        # 初始化ROS节点
        rospy.init_node('moveit_cartesian_demo', anonymous=True)
                        
        # 初始化需要使用move group控制的机械臂中的arm group
        arm = MoveGroupCommander('manipulator')
        
        # 当运动规划失败后,允许重新规划
        arm.allow_replanning(True)
        
        # 设置目标位置所使用的参考坐标系
        arm.set_pose_reference_frame('base_link')
                
        # 设置位置(单位:米)和姿态(单位:弧度)的允许误差
        arm.set_goal_position_tolerance(0.001)
        arm.set_goal_orientation_tolerance(0.001)
        
        # 设置允许的最大速度和加速度
        arm.set_max_acceleration_scaling_factor(0.5)
        arm.set_max_velocity_scaling_factor(0.5)
        
        # 获取终端link的名称
        end_effector_link = arm.get_end_effector_link()

        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
                                               
        # 获取当前位姿数据最为机械臂运动的起始位姿
        start_pose = arm.get_current_pose(end_effector_link).pose

        print start_pose
                
        # 初始化路点列表
        waypoints = []
                
        # 将初始位姿加入路点列表
        waypoints.append(start_pose)
            
        # 设置路点数据,并加入路点列表
        wpose = deepcopy(start_pose)
        wpose.position.z -= 0.2
        waypoints.append(deepcopy(wpose))

        wpose.position.x += 0.1
        waypoints.append(deepcopy(wpose))
        
        wpose.position.y += 0.1
        waypoints.append(deepcopy(wpose))

        fraction = 0.0   #路径规划覆盖率
        maxtries = 100   #最大尝试规划次数
        attempts = 0     #已经尝试规划次数
        
        # 设置机器臂当前的状态作为运动初始状态
        arm.set_start_state_to_current_state()
 
        # 尝试规划一条笛卡尔空间下的路径,依次通过所有路点
        while fraction < 1.0 and attempts < maxtries:
            (plan, fraction) = arm.compute_cartesian_path (
                                    waypoints,   # waypoint poses,路点列表
                                    0.01,        # eef_step,终端步进值
                                    0.0,         # jump_threshold,跳跃阈值
                                    True)        # avoid_collisions,避障规划
            
            # 尝试次数累加
            attempts += 1
            
            # 打印运动规划进程
            if attempts % 10 == 0:
                rospy.loginfo("Still trying after " + str(attempts) + " attempts...")
                     
        # 如果路径规划成功(覆盖率100%),则开始控制机械臂运动
        if fraction == 1.0:
            rospy.loginfo("Path computed successfully. Moving the arm.")
            arm.execute(plan)
            rospy.loginfo("Path execution complete.")
        # 如果路径规划失败,则打印失败信息
        else:
            rospy.loginfo("Path planning failed with only " + str(fraction) + " success after " + str(maxtries) + " attempts.")  

        rospy.sleep(1)

        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(1)
        
        # 关闭并退出moveit
        moveit_commander.roscpp_shutdown()
        moveit_commander.os._exit(0)

if __name__ == "__main__":
    try:
        MoveItCartesianDemo()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass
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避障规划

机器人在工作空间内运动规划过程中存在障碍物时,需要进行避障规划。

使用如下命令实现MArm避障规划测试:

roslaunch marm_planning arm_planning.launch
rosrun marm_planning moveit_obstacles_demo.py
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marm_planning/scripts/moveit_obstacles_demo.py的源码如下:

import rospy, sys
import moveit_commander
from moveit_commander import MoveGroupCommander, PlanningSceneInterface
from moveit_msgs.msg import  PlanningScene, ObjectColor
from geometry_msgs.msg import PoseStamped, Pose

class MoveItObstaclesDemo:
    def __init__(self):
        # 初始化move_group的API
        moveit_commander.roscpp_initialize(sys.argv)
        
        # 初始化ROS节点
        rospy.init_node('moveit_obstacles_demo')
        
        # 初始化场景对象
        scene = PlanningSceneInterface()
        
        # 创建一个发布场景变化信息的发布者
        self.scene_pub = rospy.Publisher('planning_scene', PlanningScene, queue_size=5)
        
        # 创建一个存储物体颜色的字典对象
        self.colors = dict()
        
        # 等待场景准备就绪
        rospy.sleep(1)
                        
        # 初始化需要使用move group控制的机械臂中的arm group
        arm = MoveGroupCommander('arm')
        
        # 获取终端link的名称
        end_effector_link = arm.get_end_effector_link()
        
        # 设置位置(单位:米)和姿态(单位:弧度)的允许误差
        arm.set_goal_position_tolerance(0.01)
        arm.set_goal_orientation_tolerance(0.05)
       
        # 当运动规划失败后,允许重新规划
        arm.allow_replanning(True)
        
        # 设置目标位置所使用的参考坐标系
        reference_frame = 'base_link'
        arm.set_pose_reference_frame(reference_frame)
        
        # 设置每次运动规划的时间限制:5s
        arm.set_planning_time(5)
        
        # 设置场景物体的名称
        table_id = 'table'
        box1_id = 'box1'
        box2_id = 'box2'
        
        # 移除场景中之前运行残留的物体
        scene.remove_world_object(table_id)
        scene.remove_world_object(box1_id)
        scene.remove_world_object(box2_id)    
        rospy.sleep(1)
        
        # 控制机械臂先回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        rospy.sleep(2)
        
        # 设置桌面的高度
        table_ground = 0.25
        
        # 设置table、box1和box2的三维尺寸
        table_size = [0.2, 0.7, 0.01]
        box1_size = [0.1, 0.05, 0.05]
        box2_size = [0.05, 0.05, 0.15]
        
        # 将三个物体加入场景当中
        table_pose = PoseStamped()
        table_pose.header.frame_id = reference_frame
        table_pose.pose.position.x = 0.26
        table_pose.pose.position.y = 0.0
        table_pose.pose.position.z = table_ground + table_size[2] / 2.0
        table_pose.pose.orientation.w = 1.0
        scene.add_box(table_id, table_pose, table_size)
        
        box1_pose = PoseStamped()
        box1_pose.header.frame_id = reference_frame
        box1_pose.pose.position.x = 0.21
        box1_pose.pose.position.y = -0.1
        box1_pose.pose.position.z = table_ground + table_size[2] + box1_size[2] / 2.0
        box1_pose.pose.orientation.w = 1.0   
        scene.add_box(box1_id, box1_pose, box1_size)
        
        box2_pose = PoseStamped()
        box2_pose.header.frame_id = reference_frame
        box2_pose.pose.position.x = 0.19
        box2_pose.pose.position.y = 0.15
        box2_pose.pose.position.z = table_ground + table_size[2] + box2_size[2] / 2.0
        box2_pose.pose.orientation.w = 1.0   
        scene.add_box(box2_id, box2_pose, box2_size)
        
        # 将桌子设置成红色,两个box设置成橙色
        self.setColor(table_id, 0.8, 0, 0, 1.0)
        self.setColor(box1_id, 0.8, 0.4, 0, 1.0)
        self.setColor(box2_id, 0.8, 0.4, 0, 1.0)
        
        # 将场景中的颜色设置发布
        self.sendColors()    
        
        # 设置机械臂的运动目标位置,位于桌面之上两个盒子之间
        target_pose = PoseStamped()
        target_pose.header.frame_id = reference_frame
        target_pose.pose.position.x = 0.2
        target_pose.pose.position.y = 0.0
        target_pose.pose.position.z = table_pose.pose.position.z + table_size[2] + 0.05
        target_pose.pose.orientation.w = 1.0
        
        # 控制机械臂运动到目标位置
        arm.set_pose_target(target_pose, end_effector_link)
        arm.go()
        rospy.sleep(2)

        # 设置机械臂的运动目标位置,进行避障规划
        target_pose2 = PoseStamped()
        target_pose2.header.frame_id = reference_frame
        target_pose2.pose.position.x = 0.2
        target_pose2.pose.position.y = -0.25
        target_pose2.pose.position.z = table_pose.pose.position.z + table_size[2] + 0.05
        target_pose2.pose.orientation.w = 1.0
        
        # 控制机械臂运动到目标位置
        arm.set_pose_target(target_pose2, end_effector_link)
        arm.go()
        rospy.sleep(2)
        
        # 控制机械臂回到初始化位置
        arm.set_named_target('home')
        arm.go()
        
        # 关闭并退出moveit
        moveit_commander.roscpp_shutdown()
        moveit_commander.os._exit(0)
        
    # 设置场景物体的颜色
    def setColor(self, name, r, g, b, a = 0.9):
        # 初始化moveit颜色对象
        color = ObjectColor()
        
        # 设置颜色值
        color.id = name
        color.color.r = r
        color.color.g = g
        color.color.b = b
        color.color.a = a
        
        # 更新颜色字典
        self.colors[name] = color

    # 将颜色设置发送并应用到moveit场景当中
    def sendColors(self):
        # 初始化规划场景对象
        p = PlanningScene()

        # 需要设置规划场景是否有差异     
        p.is_diff = True
        
        # 从颜色字典中取出颜色设置
        for color in self.colors.values():
            p.object_colors.append(color)
        
        # 发布场景物体颜色设置
        self.scene_pub.publish(p)

if __name__ == "__main__":
    try:
        MoveItObstaclesDemo()
    except KeyboardInterrupt:
        raise
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Pick and Place示例

此节演示了一个简单的机器人pick and place应用,这个应用就是让机器人用夹爪将工作空间内的某个物体夹起来,然后将该物体放到目标位置。类似的功能在机器人的实际生产应用中使用非常广泛,例如码垛、搬运、挑拣等工作。

在这个应用例程中,假设已知物体的位置,MoveIt!需要控制机器人去抓取物体并放置到指定位置。

使用如下命令实现pick and place例程:

roslaunch marm_planning arm_planning.launch
rosrun marm_planning moveit_pick_and_place_demo.py
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创建抓取的目标物体
创建一个用来抓取的目标物体,并将其设置颜色,代码如下:

target_size = [0.02,0.01,0.12]
target_pose = PoseStamped() 
target_pose.header.frame_id = REFERENCE_FRAME
target_pose.pose.position.x = 0.32
target_pose.pose.position.y = 0.0
target_pose.pose.position.z = table_ground + table_size[2] + target_size[2]/2.0
target_pose.pose.orientation.w =1.0

scene.add_box(target_id, target_pose, target_size)

self.setColor(target_id, 0.9, 0.9, 0, 1.0)
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设置目标物体的放置位置
创建一个place,并准备放置目标物体的位置,代码如下:

place_pose = PoseStamped()
place_pose.header.frame_id = REFERENCE_FRAME
place_pose.pose.position.x = 0.32
place_pose.pose.position.y = -0.2
place_pose.pose.position.z = table_ground + table_size[2] + target_size[2]/2.0
place_pose.pose.orientation.w = 1.0
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生成抓取姿态
生成抓取姿态的代码如下:

grasp_pose = target_pose
grasps = self.make_grasps(grasp_pose, [target_id]) 
for grasp in grasps: 
	self.gripper_pose_pub.publish(grasp.grasp_pose)
	rospy.sleep(0.2)
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在抓去之前,需要确认目标位姿是否存在正确的抓取姿态。在pick时,目标物体的抓取位置就是物体摆放的位置,然后使用make_grasps()函数生成抓取姿态的列表,并将抓取姿态的消息发布,显示在rviz中,代码如下:

def make_grasps(self, initial_pose_stamped, allowed_touch_objects):
	# 初始化抓取姿态对象 
	g = Grasp()
	# 创建夹爪张开、闭合的姿态 
	g.pre_grasp_posture = self.make_gripper_posture(GRIPPER_OPEN)
	g.grasp_posture = self.make_gripper_posture(GRIPPER_CLOSED)
	# 设置期望的夹爪靠近、撤离目标的参数
	g.pre_grasp_approach = self.make_gripper_translation(0.01, 0.1, [1.0, 0.0, 0.0])
	g.post_grasp_retreat = self.make_gripper_translation(0.1, 0.15, [0.0, -1.0, 1.0])
	# 设置抓取姿态
	g.grasp_pose = initial_pose_stamped 
	# 需要尝试改变姿态的数据列表
	pitch_vals = [0, 0.1, -0.1, 0.2, -0.2, 0.3, -0.3]
	yaw_vals = [0]
	# 抓取姿态的列表
	grasps = []
	# 改变姿态,生成抓取动作 
	for y in yaw_vals:
		for p in pitch_vals:
			# 欧拉角到四元数的转换
			q = quaternion _ from _ euler (0, p , y )
			# 设置抓取的姿态
			g.grasp_pose.pose.orientation.x = q[0]
			g.grasp_pose.pose.orientation.y = q[1]
			g.grasp_pose.pose.orientation.z = q[2]
			g.grasp_pose.pose.orientation.w = q[3]
			# 设置抓取的唯一 id 号
			g.id = str(len(grasps))
			# 设置允许接触的物体
			g.allowed_touch_objects = allowed_touch_objects
			# 将本次规划的抓取放入抓取列表中
			grasps.append(deepcopy(g))
	# 返回抓取列表
	return grasps
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make_grasps()函数通过pitch角度的变化得到不同的抓取姿态。
pick
设置pick时的代码如下:

while result != MoveItErrorCodes.SUCCESS and n_attempts < max_pick_attempts:
	n_attempts += 1
	rospy.loginfo("Pick attempt: " + str(n_attempts))
	result = arm.pick(target_id, grasps)
	rospy.sleep(0.2)
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接下来机器人就可以尝试 pick 目标物体了。针对不同的抓取姿态,如果无法求解运动学逆解或者规划轨迹会发生碰撞,pick 的运动规划就会出错,因此例程设置重新尝试规划的次数。如果规划成功,则 pick()会控制机器人按照规划轨迹运动。

place
如果 pick 阶段的运动控制没有问题,那我们的工作已经完成了一半。接下来的任务是 place ,将目标物体放置到指定位置,代码如下:

if result == MoveItErrorCodes.SUCCESS:
	result = None
	n_attempts = 0
	# 生成放置姿态 
	places = self.make_places(place_pose)
	# 重复尝试放置,直到成功或者最多尝试次数
	while result != MoveItErrorCodes.SUCCESS and n _ attempts < max_place_attempts:
		n _ attempts += 1
		rospy.loginfo("Placeattempt: " + str(n_attempts))
		for place in places:
			result = arm.place(target_id, place)
			if result == MoveItErrorCodes.SUCCESS:
				break
		rospy.sleep(0.2)
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place 与 pick 的原理是一致的,同样需要使用 make_places() 生成一个可能的夹爪放置姿态列表。然后根据这些可能的放置姿态尝试规划 place 操作的轨迹,规划成功后就可以控制机器人运动了,代码如下:

def make_places(self, init_pose)
	# 初始化放置抓取物体的位置
	place = PoseStamped()
	# 设置放置抓取物体的位置
	place = init_pose
	# 定义 x 方向上用于尝试放置物体的偏移参数
	x_vals = [0, 0.005, 0.01, 0.015, -0.005, -0.01, -0.0151]
	# 定义 y 方向上用于尝试放置物体的偏移参数
	y_vals = [0, 0.005, 0.01, 0.015, -0.005, -0.01, -0.015]
	pitch_vals = [0]
	# 定义用于尝试放置物体的偏航角参数
	yaw_vals = [0]
	# 定义放置物体的姿态列表
	places = []
	# 生成每个角度和偏移方向上的抓取姿态
	for y in yaw_vals:
		for p in pitch_vals:
			for y in y_vals:
				for x in x_vals:
					place.pose.position.x = init_pose.pose.position.x + x
					place.pose.position.y = init_pose.pose.position.y + y
					# 欧拉角到四元数的转换
					q = quaternion_from_euler(0, p, y)
					# 欧拉角到四元数的转换
					place.pose.orientation.x = q[0] 
					place.pose.orientation.y = q[1] 
					place.pose.orientation.z = q[2] 
					place.pose.orientation.w = q[3]
					# 将该放置姿态加入列表
					places.append(deepcopy(place))
	# 返回放置物体的姿态列表
	return places
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make_places() 和 make_grasps() 的实现原理相同,都是通过设定的方向偏移、旋转列表生成多个可能的终端姿态

通过以上例程,我们就实现了一个简单的 pick and place 应用。

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