ROS的技术案例

Introduction

今天这篇文章将记录我使用myCobot 280 M5stack 在ROS当中是如何使用的。为什么使用ROS呢，因为提及到机器人都离不开ROS这个操作系统，今天是我们第一次使用ROS这个系统。

今天我将从ROS的介绍，环境的配置以及mycobot280 在ROS当中的使用。

ROS

ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）是一个用于编写机器人软件的灵活的框架。它是一个半开源的项目，为研究人员和开发者提供了一套工具和库，以帮助他们创建各种机器人应用。ROS主要用于研究和开发各种机器人系统，如自动驾驶车辆、服务机器人、工业机器人、无人机等。它使得机器人的开发更加高效，也使得机器人的功能更加强大和灵活。ROS操作系统目前最受关注的两个模块是导航（navigation）和机械臂控制（moveit）其中moveit可以让用户快速建立机械臂模型并实现机械臂的控制，例如建模，运动学求解，运动规划，避障等功能。介于有这么一个强大的系统，我想用它来仿真实现一些机械臂的避障，路径规划等功能。

环境配置

ROS主要支持Ubuntu（Linux），Mac OS（缺少部分的支持）这些操作系统，最常见的还是在ubuntu系统上使用。我电脑安装的是ubuntu18.04版本，Ubuntu18对应的ROS版本是melodic，不同版本的ubuntu对应不同ROS版本。

 ubuntu16.04-kinetic
 ubuntu18.04-melodic
ubuntu20.04-noetic

由于我电脑已经安装好了系统以及ROS环境，这边就不一一记录了，主要还是记录ROS当中的操作。关于ubuntu系统的安装和ROS环境的搭建大家可以在Google当中搜索，ROS官网也有详细的安装教程。

ROS: Getting Started

我今天使用的场景是moveit控制机械臂，所以对于电脑硬件的需求不高，这边注意如果是使用SLAM雷达导航等功能，可能就需要高配一些的电脑来处理运算能力。

检测自己是否安装完成ROS的标准，打开终端输入“roscore”，出现跟下图一样的内容代表安装成功了。

让我们开始使用ROS吧。

ROS的使用

在ROS当中创建一个机械臂，并且使用一些路径规划的功能需要执行以下步骤。

创建URDF的文件，也就是机械臂的模型
将URDF文件加载到ROS服务器当中
使用RViz进行可视化
创建MoveIt配置包
使用MoveIt进行运动规划

创建URDF文件

首先咱得创建机械臂的URDF（Unified Robot Description Format）文件，这个文件至关重要，因为机械臂的3D模型，这个文件描述了机械臂的属性，如关节，链接和传感器。由于该产品是大象机器人的一款机械臂myCobot 280 M5Stack，大象机器人在Github有提供myCobot 280的URDF文件描述了机械臂的一些物理属性。

https://github.com/elephantrobotics/mycobot_ros/tree/noetic/mycobot_description/urdf

如何生成urdf文件：

需要使用CAD软件制作模型，确保制作的3D模型跟实际的机械臂尺寸一致。因为导出的模型要是一个可以被ROS接受的格式，通常是DAE（collada）文件。

将URDF加载到ROS服务器

创建ROS包

创建一个存放URDF文件的包，在终端执行下面的代码

catkin_create_pkg mycobot_description rospy std_msgs sensor_msgs

其中‘rospy’，‘std_msgs'和’sensor_msgs'是ROS的依赖包

将生成的urdf文件添加到mycobot_description/urdf的目录下

创建启动文件

在mycobot_description/launch目录下创建一个load_urdf.launch文件，在其中添加以下内容

 <launch>
 <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro.py $(find mycobot_description)/urdf/mycobot.urdf.xacro" />
 </launch>

启动ROS文件qi

我们在打开终端输入下面的命令。

 roslaunch my_robot_description load_urdf.launch

运行完之后，就可以在RViz当中看到我们创建的模型了。

配置MoveIt

启动MoveIt Setup Assistant：

在终端中，运行以下命令来启动MoveIt Setup Assistant：

roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch

在MoveIT当中加载URDF

在MoveIt Setup Assistant的主界面，点击“Create New MoveIt Configuration Package”按钮。然后，在弹出的对话框中，选择我的URDF文件（在ROS参数robot_description中）。点击“Load Files”按钮来加载你的URDF文件。显示下图就加载成功了。

配置我的机器人

根据自己的需求来配置自己的机器人。这里简要介绍几个配置：

Self-Collisions：MoveIt会自动计算你的机器人的自碰撞矩阵。可以点击“Regenerate Default Collision Matrix”按钮来生成默认的自碰撞矩阵。
Virtual Joints：可以为你的机器人定义虚拟关节。虚拟关节通常用于连接你的机器人和世界。
Planning Groups：可以定义你的机器人的规划组。规划组是一组需要一起移动的关节和链。例如，你可以创建一个包含所有手臂关节的规划组。
Robot Poses：可以定义你的机器人的预设姿态。预设姿态可以在规划中被重复使用。

运行moveit

配置完成之后会生成.launch的文件，我们运行它就可以在moveit中使用机械臂了。

我们来看看moveit的功能如何进行路径规划，拖动机械臂末端的坐标，可以对机械臂进行运动的变化，也可以随机生成路径。

物体避障

我们在moveit中添加一个障碍物让机械臂进行避障，添加一个方块，让机械臂在做轨迹的时候绕过它。

除此之外moveit还有许多功能例如，运动规划，可以为多关节的机器人进行路径规划，避免碰撞，并且还可以是用多种运动规划算法RRT,EST,LBKPIECE等；碰撞检测，可以进行复杂的3D碰撞检测，包括子碰撞和环境碰撞（障碍物）；仿真，可以于gazebo机器人仿真器继承，进行真实的物理仿真等等功能。

总结

MoveIt提供了一套完整的工具集，可以用于机械臂的运动规划和控制的研究，无需从头开始构建复杂的运动规划系统。这可以使得开发人员将更多的经理集中在实现具体的应用功能上，而不是解决底层的运动规划和控制问题上。总的来说，ROS和MoveIt为机器人技术的发展提供了强大的支持。它们不仅降低了开发难度，提高了开发效率，而且还推动了机器人技术的创新和应用。无论你是机器人技术的研究者，还是实际应用的开发者，ROS和MoveIt都将是你不可或缺的工具。

我在未来也会继续探索更多的机械臂项目，并不定期分享我的发现和成果。如果你发现本文中有一些错误欢迎跟我进行沟通，如果你喜欢这篇文章留下你的点赞和评论是对我最大的支持！