朱建軍* 張博文 王明園

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

由于傳統(tǒng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃都要靠人工示教，沒(méi)有自主感知、自主規(guī)劃的功能[1]。相應(yīng)的機(jī)械臂智能控制技術(shù)急需不斷的發(fā)展，本文基于安諾機(jī)器人公司生產(chǎn)的V6PLUS 桌面機(jī)械臂作為研究對(duì)象，利用機(jī)器人系統(tǒng)工具箱，通過(guò)構(gòu)建虛擬機(jī)械臂模型及仿真過(guò)程的運(yùn)動(dòng)可視化功能，得出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)末端的速度- 位移曲線，并對(duì)物品抓取過(guò)程進(jìn)行了路徑規(guī)劃，通過(guò)仿真得到各關(guān)節(jié)的參數(shù)與末端的關(guān)系，結(jié)果表明該方法有助于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的快速仿真與實(shí)現(xiàn)，為V6PLUS 桌面機(jī)械臂的控制研究提供了思路。

1 仿真環(huán)境配置

1.1 ROS 系統(tǒng)

ROS 最初是與機(jī)器人公司W(wǎng)illow Garage 合作應(yīng)用于斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目[2]。2010 年以開(kāi)放源碼的形式發(fā)布了ROS 框架，適應(yīng)了當(dāng)今的開(kāi)源軟件和分布式協(xié)作的軟件潮流，以為機(jī)器人研發(fā)提供代碼重用支持為主要目標(biāo)。ROS 包括開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用功能、通信機(jī)制、生態(tài)系統(tǒng)四個(gè)部分，支持并融合了很多著名的開(kāi)源項(xiàng)目，支持C、C++、Python、Java 等多種編程語(yǔ)言，最大程度上實(shí)現(xiàn)代碼共享[3]。

1.2 機(jī)械臂模型定制與仿真環(huán)境搭建

URDF(Unified Robot Descriptin Format)是一種使用XML 格式描述運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的機(jī)械臂模型文件[4]，包含兩種參數(shù)，即連桿(link)參數(shù)與關(guān)節(jié)(joint)參數(shù)。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)發(fā)的六自由度機(jī)械臂進(jìn)行建模，在Solidworks 中使用拉伸切除等方法按照與實(shí)際機(jī)械臂1:1 的比例繪制機(jī)械臂三維模型，以自由度為要素、關(guān)節(jié)為界將機(jī)械臂劃分為七個(gè)部分，并在機(jī)械臂關(guān)節(jié)處插入基準(zhǔn)軸。各部件圖如圖1。

圖1 六自由度機(jī)械臂各部件裝配圖

使用Solidworks 中sw2urdf 插件，并根據(jù)實(shí)際情況，明確連桿(link)與關(guān)節(jié)(joint)兩項(xiàng)參數(shù)，確定裝配體裝配關(guān)系參數(shù)(關(guān)節(jié)類型、關(guān)節(jié)軸向、關(guān)節(jié)變量、關(guān)節(jié)限位)，并明確關(guān)節(jié)與連桿之間的父子關(guān)系，如圖4 所示，通過(guò)控制關(guān)節(jié)(joint)達(dá)到控制機(jī)械臂模型的目的。 通 過(guò) 使 用 MoveIt 中 moveit setup assistant 插件配置URDF 模型，使導(dǎo)入的機(jī)械臂URDF 模型文件轉(zhuǎn)化為SRDF 文件，并創(chuàng)建出MoveIt 功能包，具體步驟過(guò)程如圖2所示。

圖2 MoveIt 配置流程圖

2 機(jī)械臂路徑規(guī)劃

2.1 路徑規(guī)劃算法

本文采用RRT-Connect (基于雙向擴(kuò)展平衡的連結(jié)型雙樹(shù))算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它是一種基于采樣的路徑規(guī)劃算法[5]。其原理是每次規(guī)劃以狀態(tài)空間中的一個(gè)初始點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)隨機(jī)采樣逐漸增加葉節(jié)點(diǎn)的方式，生成一個(gè)隨機(jī)擴(kuò)展樹(shù)，與此同時(shí)在目標(biāo)點(diǎn)也作為一個(gè)根節(jié)點(diǎn)生長(zhǎng)出一個(gè)隨機(jī)擴(kuò)展樹(shù)，當(dāng)兩個(gè)隨機(jī)樹(shù)相互連接，便可在隨機(jī)樹(shù)中找到一條以樹(shù)節(jié)點(diǎn)組成的從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃。其原理圖如圖3。

圖3 RRT-Connect 原理圖

圖4 機(jī)械臂的位姿變化與實(shí)時(shí)仿真

2.2 路徑規(guī)劃仿真

設(shè)置機(jī)械臂初始姿態(tài)為x=0，y=0，z=0，w=1，目標(biāo)姿態(tài)為x=0.114，y=-0.012，z=-0.174，w=0.978，使用使用planning scene插件在機(jī)械臂初始位姿與目標(biāo)位姿之間設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)、寬、高為1m、0.3m、0.01m 的長(zhǎng)方體與一個(gè)半徑為0.1m，高為0.2m 的圓柱體共同組成的障礙，使機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)必須要避開(kāi)障礙物，分別在有、無(wú)障礙物的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4。

使用Rqt_plot 命令訂閱機(jī)械臂六個(gè)關(guān)節(jié)角度位置變量并通過(guò)曲線圖顯示，得到具體路徑規(guī)劃變化信息，角度單位為弧度制，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為角度，如圖5 所示。

圖5 關(guān)節(jié)角度變化曲線

在有障礙和無(wú)障礙物的條件分別實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂在自主移動(dòng)和自主避障到達(dá)目標(biāo)位置的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)RRT-Connect 算法可以有效地和準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑地規(guī)劃和控制。

3 結(jié)論

本文使用ROS 平臺(tái)對(duì)安諾V6PLUS 機(jī)械臂進(jìn)行開(kāi)發(fā)與研究，利用URDF 文件進(jìn)行3D 建模，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的快速建模的方法。分析MoveIt 軟件架構(gòu)及路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)機(jī)制并利用RRT-Connect 算法形象展現(xiàn)了機(jī)械臂避障時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。結(jié)合Rviz 仿真環(huán)境，使在不具備真實(shí)機(jī)械臂的環(huán)境條件下也可對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并完成了機(jī)械臂進(jìn)行避障的路徑規(guī)劃與仿真。通過(guò)分析對(duì)比在有、無(wú)障礙時(shí)關(guān)節(jié)角度變化的曲線變化，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)果的合理性，為機(jī)械臂的控制研究提供了思路，也為在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行路徑規(guī)劃算法的進(jìn)一步改進(jìn)提供了直觀的方法。