当前位置:   article > 正文

ROS机械臂开发:Moveit + Gazebo仿真/Gazebo配置_moveit gazebo

moveit gazebo

一、 ROS中的控制器插件

ros_control的功能:

ROS为开发者提供的机器人控制中间件

包含一系列控制器接口、传动装置接口、硬件接口、控制器工具箱等等

可以帮助机器人应用功能包快速落地,提高开发效率

ros control

下面介绍一下采用ros_control实现的控制系统整体架构:

gazebo + ros + ros_control

控制器管理器
提供一种通用的接口来管理不同的控制器,比如小车的轮子需要速度指令,机械臂需要位置、扭矩指令,不同的控制器就需要一个controller manager来管理,以同时包含多种controller

        控制器
        读取硬件状态,发布控制命令,完成每个joint的控制

        硬件资源
        为上下两层提供硬件资源的接口

        机器人硬件抽象
        机器人硬件抽象和硬件资源直接打交道,通过write和read方法完成硬件操作

        真实机器人
        执行接收到的命令

controller中主要实现的是PID控制,完成速度、位置等闭环控制,并将指令发出去,发给谁呢,当然是机器人,如果是仿真就发给gazebo,如果是实际机器人,就发给真实机器人硬件。这里就有一个interface,通过串口,网口等接口的形式把数据发出去hardware_interface是为了让上层的接口屏蔽底层的硬件,作为一个硬件封装层封装了底层的电机、执行器。接收到上层的指令后,再分发到底层的硬件。比如发给小车车轮,上面通常会有一个嵌入式板卡来完成本地的闭环控制,比如发送电压信号给电机,电机如果配备编码器,还可以通过硬件抽象层反馈上来,发回controller,再形成闭环。
ros_control这个功能包包含了很多controllers,完成速度、位置、力控制。常用的有四个controller:

joint_state_controller
这个controller其实和控制没关系,比较容易让人误解,监控机器人状态,比如编码器的反馈回来的位置速度等数据,它将其封装成topic发出来,功能和joint_state_publisher这个节点是一样的,只是数据输入不一样,输出都是话题形式。

        joint_effort_controller

        joint_position_controller
        机械臂经常会用这个controller

        joint_velocity_controller

此处会介绍 joint_state_controller和joint_position_controller,最后会再介绍一个更加上层的controller。因此ros_control在整个ROS框架中的作用就是作为一个中间件,衔接上层应用和真实机器人或仿真模型。

2.完善机器人模型

要放到gazebo中仿真,之前的urdf模型文件还需要再进行完善。

2.1 模型文件

第一步:在可视化基础上为link添加惯性参数和碰撞属性

一个技巧是设置很小的质量和较大的惯性矩阵,这样导入gazebo后模型运行会比较稳定,当然前提是仿真应用对这些物理参数要求不高。

第二步:为joint添加传动装置

代表减速器等传动装置,传进来的是控制指令,比如下图的位置指令

第三步:添加gazebo控制器插件

电机如何转起来,需要添加一个控制器,对应真实机器人的伺服驱动器,就是前面讲的controller,完成电机的运动控制,输入位置,输出到transmission上面去。参数是比较多的,一般在模型中加载插件,再通过多个参数文件具体配置。
robotNamespace代表具体的机器人命名空间,仿真类型robotSimType,使用默认的硬件抽象层接口,完成上面的指令到机器人的转换。legacyModeNS用于兼容之前ROS版本的配置。

2.2 在gazebo中加载机器人

  1. <launch>
  2. <!-- these are the arguments you can pass this launch file, for example paused:=true -->
  3. <arg name="paused" default="false"/>
  4. <arg name="use_sim_time" default="true"/>
  5. <arg name="gui" default="true"/>
  6. <arg name="headless" default="false"/>
  7. <arg name="debug" default="false"/>
  8. <!-- 启动gazebo仿真环境 -->
  9. <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
  10. <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
  11. <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
  12. <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
  13. <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
  14. <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
  15. </include>
  16. <!-- Load the URDF into the ROS Parameter Server -->
  17. <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find probot_description)/urdf/probot_anno.xacro'" />
  18. <!-- 在gazebo中加载模型-->
  19. <!--Run a python script to the send a service call to gazebo_ros to spawn a URDF robot -->
  20. <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
  21. args="-urdf -model probot_anno -param robot_description"/>
  22. </launch>

launch文件完成的功能:一是启动gazebo仿真环境,二是将模型加载到仿真环境中去。

i5@i5-ThinkPad-T470:~/catkin_ws$ roslaunch probot_gazebo probot_anno_gazebo_world.launch

现在的机械臂还是不能运动的,可以看一下话题:

  1. i5@i5-ThinkPad-T470:~/catkin_ws$ rostopic list
  2. /clock
  3. /gazebo/link_states
  4. /gazebo/model_states
  5. /gazebo/parameter_descriptions
  6. /gazebo/parameter_updates
  7. /gazebo/set_link_state
  8. /gazebo/set_model_state
  9. /gazebo_gui/parameter_descriptions
  10. /gazebo_gui/parameter_updates
  11. /rosout
  12. /rosout_agg

3. 构建MoveIt!+Gazebo仿真

首先介绍一下moveit机器人控制框架,moveit输入用户指令,比如起始位置,输出轨迹数据,每个点通过位置速度加速度描述,为了通过话题发出来,还需要一个Follow Joint Trajectory功能,通过通信接口发给机器人,机器人还需要对轨迹进行精插补,再驱动电机同步运动。机器人控制器还需要将每个电机的状态数据反馈给moveit来确定机器人是否到达指定位置,这样完成一个闭环。

moveit!机器人控制框架

主要是理解三个模块的作用:Follow Joint Trajectory,Joint Trajectory Controller, Joint State Controller

moveit!+gazebo仿真框架


先看gazebo这一端的,轨迹通过Action机制发出来,因此gazebo这边是一个action server,moveit那边是一个action client,sever这一端接收轨迹,完成插补运算,再发到每一个电机位置控制接口上。

ROS提供的关节轨迹控制器插补运算(具体可以看ros_controllers的源码)

        线性样条:位置连续,速度、加速度不连续

        三次样条:位置和速度连续,加速度不连续

  1. probot_anno:
  2. arm_joint_controller:
  3. type: "position_controllers/JointTrajectoryController"
  4. joints:
  5. - joint_1
  6. - joint_2
  7. - joint_3
  8. - joint_4
  9. - joint_5
  10. - joint_6
  11. gains:
  12. joint_1: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}
  13. joint_2: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}
  14. joint_3: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}
  15. joint_4: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}
  16. joint_5: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}
  17. joint_6: {p: 1000.0, i: 0.0, d: 0.1, i_clamp: 0.0}

另一个文件是控制器启动文件:probot_anno_trajectory_controller.launch,首先将上面的文件加载到参数服务器,再调用spawner根据参数文件内容启动arm_joint_controller,这个控制器完成每个轴的插补运算,并让每个轴运动。

  1. <launch>
  2. <rosparam file="$(find probot_gazebo)/config/probot_anno_trajectory_control.yaml" command="load"/>
  3. <node name="arm_controller_spawner" pkg="controller_manager" type="spawner" respawn="false"
  4. output="screen" ns="/probot_anno" args="arm_joint_controller"/>
  5. </launch>

以上完成的就是框架中绿色部分的配置。

joint state controller配置是类似的,先进行参数配置:probot_anno_gazebo_joint_states.yaml

  1. probot_anno:
  2. # Publish all joint states -----------------------------------
  3. joint_state_controller:
  4. type: joint_state_controller/JointStateController
  5. publish_rate: 50

用于监控机器人实时状态,joint_state_controller/JointStateController就是ros cotrollers四种当中的一种,参数就是反馈的频率。配置好后,需要启动它probot_anno_gazebo_states.launch:

  1. <launch>
  2. <!-- 将关节控制器的配置参数加载到参数服务器中 -->
  3. <rosparam file="$(find probot_gazebo)/config/probot_anno_gazebo_joint_states.yaml" command="load"/>
  4. <node name="joint_controller_spawner" pkg="controller_manager" type="spawner" respawn="false"
  5. output="screen" ns="/probot_anno" args="joint_state_controller" />
  6. <!-- 运行robot_state_publisher节点,发布tf -->
  7. <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"
  8. respawn="false" output="screen">
  9. <remap from="/joint_states" to="/probot_anno/joint_states" />
  10. </node>
  11. </launch>

先加载文件,再通过spawner启动控制器,后面还启动了robot_state_publisher,用于根据joint_states发布TF坐标系.

第三个配置是框图中左边的,Follow Joint Trajectory,也是配参数controllers_gazebo.yaml:

  1. controller_manager_ns: controller_manager
  2. controller_list:
  3. - name: probot_anno/arm_joint_controller
  4. action_ns: follow_joint_trajectory
  5. type: FollowJointTrajectory
  6. default: true
  7. joints:
  8. - joint_1
  9. - joint_2
  10. - joint_3
  11. - joint_4
  12. - joint_5
  13. - joint_6

再启动probot_anno_moveit_controller_manager.launch.xml:

  1. <launch>
  2. <arg name="moveit_controller_manager" default="moveit_simple_controller_manager/MoveItSimpleControllerManager"/>
  3. <param name="moveit_controller_manager" value="$(arg moveit_controller_manager)"/>
  4. <!-- gazebo Controller -->
  5. <rosparam file="$(find probot_anno_moveit_config)/config/controllers_gazebo.yaml"/>
  6. </launch>

下面梳理一下所有文件,首先是最顶层的probot_anno_bringup_moveit.launch:

  1. <launch>
  2. <!-- Launch Gazebo -->
  3. <include file="$(find probot_gazebo)/launch/probot_anno/probot_anno_gazebo_world.launch" />
  4. <!-- ros_control arm launch file -->
  5. <include file="$(find probot_gazebo)/launch/probot_anno/probot_anno_gazebo_states.launch" />
  6. <!-- ros_control trajectory control dof arm launch file -->
  7. <include file="$(find probot_gazebo)/launch/probot_anno/probot_anno_trajectory_controller.launch" />
  8. <!-- moveit launch file -->
  9. <include file="$(find probot_anno_moveit_config)/launch/moveit_planning_execution.launch" />
  10. </launch>

首先启动仿真环境,接着启动Joint state反馈控制器,接着启动完成插补功能的控制器,最后启动moveit,里面会自动包含刚才的moveit一端封装action数据接口的功能。
总结一下几个核心的文件功能:
probot_anno_bringup_moveit.launch:最顶层的,启动下面三个文件和moveit里的文件
probot_anno_gazebo_world.launch: 启动仿真环境
probot_anno_gazebo_states.launch: 启动joint state controller
probot_anno_trajectory_controller.launch:启动插补运算的controller
probot_anno_moveit_controller_manager.launch.xml: 启动follow joint trajectory功能

i5@i5-ThinkPad-T470:~$ roslaunch probot_gazebo probot_anno_bringup_moveit.launch

最后梳理一下启动仿真的各个文件包含关系:

gazebo仿真启动文件



作者:play_robot
链接:https://www.jianshu.com/p/2db9c75e150c
来源:简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

声明:本文内容由网友自发贡献,不代表【wpsshop博客】立场,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容,请联系我们。转载请注明出处:https://www.wpsshop.cn/w/秋刀鱼在做梦/article/detail/746968
推荐阅读
相关标签
  

闽ICP备14008679号