黃子豪 牛啟光 李廣棟

（山東科技大學，山東 濟南 250031）

隨著人工智能時代的到來,人們越來越看重機器人的工作效率和服務(wù)體驗,由于當代工業(yè)的自動化程度不斷提高,工程對機器人的需求和設(shè)計要求也越來越高,原有的開發(fā)系統(tǒng)已無法滿足迅速發(fā)展的工業(yè)化需求,于是ROS 應(yīng)運而生,ROS 機器人操作系統(tǒng)的出現(xiàn)大大加快了機器人技術(shù)的發(fā)展進程,提高了工業(yè)生產(chǎn)效率,促進了未來工業(yè)的自動化和智能化趨勢。本文將研究基于ROS 的基座機械臂模型的建模與仿真,詳細介紹了如何通過軟件對機械臂的模型進行仿真和優(yōu)化以及對其運動規(guī)劃的研究。

1 ROS 操作系統(tǒng)

ROS(Robot Operating System)源自斯坦福大學的機器人項目,目前作為一個開源的機器人開發(fā)項目由OSRF 公司維護。ROS 可以被稱為一個操作系統(tǒng),用來管理和開發(fā)機器人項目的硬件和軟件資源,并被用來提供一些常用或個性化的服務(wù),支持使用URDF 模型+機器人驅(qū)動的方式來封裝機器人。

ROS 使用Node 節(jié)點的方法實現(xiàn)程序間的通訊,項目中的各個Node 通過預(yù)先準備發(fā)布的Message 消息、Topic 主題、Action 動作建立通訊,是以一種發(fā)布/訂閱的方式進行消息的傳遞,節(jié)點可以在預(yù)設(shè)的主題中發(fā)布消息, 同時其他節(jié)點可以訂閱該主題的消息,實現(xiàn)消息的傳遞,但雙方節(jié)點互不相通,這種模塊化的通訊模式較為簡潔靈活,便于信息的發(fā)布和接收，圖1。

圖1 ROS 通訊機制

2 基座機械臂三維建模

部分開發(fā)者不具備對機械臂的實體模型進行研究的條件,受制于實體機械臂的開發(fā)成本等原因,而且初期在對基座機械臂的研究和開發(fā)的過程中,會遇到大量的問題以及參數(shù)上的修改變化,調(diào)試起來較為復(fù)雜, 所以本文選擇使用軟件進行機械臂的仿真操作,利用SolidWorks 三維建模軟件根據(jù)機械臂的設(shè)計圖建立機械臂的三維模型,最后生成URDF 文件進行軟件的仿真。

本文采用自頂向下的建模方法,首先根據(jù)基座機械臂的設(shè)計工程草圖,確定各零件關(guān)節(jié)之間的幾何關(guān)系和參考坐標,實現(xiàn)各相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)組合,當對某個零件進行改動時,與其相關(guān)的其他部位也隨之更新,便于后續(xù)的整體設(shè)計。

模型設(shè)計并生成后,利用solidworks2urdf 插件進行三維模型的解析,此時可觀察到機械臂的3D 模型的裝配圖(圖2),也可根據(jù)關(guān)節(jié)的幾何關(guān)系,設(shè)置關(guān)節(jié)自由度和父子關(guān)節(jié)的位置參數(shù)等,為使其更加直觀的顯示,還可為模型添加坐標系和基準軸,最后生成相應(yīng)的URDF 文件,用于后續(xù)的Gazebo 軟件仿真。

圖2 基座機械臂的3D 模型圖

3 基座機械臂的軟件仿真

Gazebo 是作為一款成熟且開源的三維物理仿真平臺, 具備豐富的編程和圖形處理模塊、高效強大的物理引擎、高性能的三維圖形渲染功能。Gazebo 可創(chuàng)建一個虛擬的可視化仿真環(huán)境,開發(fā)者可自主創(chuàng)建一個機械臂的模型(圖3),并在模型中設(shè)置機械臂的質(zhì)量、摩擦系數(shù)等物理屬性,在這個仿真環(huán)境中可以模擬真實機器人的運動功能和傳感數(shù)據(jù),將參數(shù)數(shù)據(jù)收集后與Rviz 配合使用,效果更好。

圖3 機械臂的Gazebo 仿真模型

使用Gazebo 軟件進行仿真相比直接對硬件操作較為靈活,參數(shù)調(diào)整方便,運行速度快且耗費成本較低,缺點是與實際數(shù)據(jù)可能存在一定誤差,準確性相比硬件操作低。

4 基座機械臂模型的優(yōu)化

URDF 建模生成的文件較為繁雜冗余,代碼可讀性不高,我們可在URDF 模型的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,通過xacro 中的宏定義、文件包含的精簡,編寫可供重復(fù)使用的接口,降低文件的復(fù)雜度,提高代碼的簡潔性和復(fù)用性,實現(xiàn)對URDF 文件的優(yōu)化。

所做優(yōu)化如下:

5 機械臂的運動規(guī)劃

在Gazebo 中進行仿真的過程中, 如果需要對機械臂模型進行運動規(guī)劃和控制,可選擇使用MoveIt 來實現(xiàn)。

MoveIt! 是一個機器人相關(guān)的工具集軟件, 其中包含了運動規(guī)劃、3D 感知、運動學控制、碰撞檢測、機器人導(dǎo)航等多種集成庫,以move_group 為核心節(jié)點控制ROS 機器人的動作,move_group 擁有著多個編程接口,如C++、Python、GUI。MoveIt 為開發(fā)者提供了一個接口豐富便于上手的平臺, 用于機器人的運動控制部分設(shè)計和開發(fā),可打包生成Gazebo 仿真中所需的相關(guān)配置文件,后期只需開發(fā)者修改相關(guān)參數(shù)來對機器人的運動進行控制,具有便利性和代碼復(fù)用性,同時裝配有多種運動輔助插件,提高了程序的可擴展性。

首先通過MoveIt Setup Assistant 生成配置文件,它為機器人生成SRDF 文件和MoveIt 管道的配置文件, 用戶可在其中配置碰撞免檢矩陣(ACM)、增加虛擬關(guān)節(jié)節(jié)點、添加規(guī)劃群組、固定機器人姿態(tài)、末端標簽執(zhí)行器、增加被動關(guān)節(jié)節(jié)點,最后導(dǎo)出配置文件。

接下來通過move_group 提供的編程接口,根據(jù)開發(fā)的需要,編寫運動規(guī)劃部分的代碼, 本文主要實現(xiàn)點到點的簡單直線運動,故可選擇使用笛卡爾路徑規(guī)劃,使用C++編寫API 接口,部分代碼如下:

笛卡爾路徑規(guī)劃:

6 結(jié)論

本文研究并實現(xiàn)了基于ROS 的基座機械臂的建模與軟件仿真,并對模型進行了優(yōu)化,提高了代碼的簡潔性和復(fù)用性,便于后續(xù)使用MoveIt 工具進行機械臂的運動規(guī)劃, 并實現(xiàn)了對機械臂運動的笛卡爾路徑規(guī)劃, 通過較為簡單的例子介紹了如何使用ROS 進行機器人的開發(fā),適用于初學者對ROS 開發(fā)的探索與研究,同時希望ROS 系統(tǒng)繼續(xù)完善和優(yōu)化,持續(xù)不斷地為機器人事業(yè)做出貢獻。