遨博协作机器人ROS开发 - 机械臂复杂轨迹规划

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#机器人 #ubuntu #linux

于 2022-09-09 09:56:19 首次发布

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本文介绍了ROS环境下机械臂的复杂轨迹规划，包括MoveIt!的正向运动学、圆弧轨迹规划、轨迹重定义、多轨迹连续运动和速度限制调整。通过实例展示了如何实现机械臂的精确运动控制，并提出了课后练习，涉及实际机械臂的轨迹执行与参数调整。

一、简介

大家好，欢迎关注遨博学院带来的系列技术分享文章（协作机器人ROS开发），今天我们来学习一下“机械臂复杂轨迹规划”。

二、环境版本

主机系统版本：Windwos10 64位
处理器型号：Intel-i7
虚拟机版本：VMware Workstation 16 Pro
虚拟机系统：Ubuntu 18.04.6 LTS
ROS版本：Melodic

三、学习目标

四、知识储备

下面开始介绍本节内容的知识点：

1.MoveIt!的正向运动学

通过MoveIt!的API接口控制机械臂运动，程序中一般是通过设置机械臂末端需要到达的位姿，然后规划路径并执行来控制机械臂运动的，这样可以保证每次末端都会运动到指定的位姿，但是，机械臂6个关节的姿态每次规划并不一定相同。

如下方两个示意图所示，机械臂具有相同的末端位姿，但是具备不同的关节角。

通过机械臂末端的位姿来计算机器人运动的路径，其实是一个逆运动学的过程，如果需要每次机械臂运动后的整体姿态是固定的，就需要使用正运动学过程，如下列代码所示，设置的目标不是末端的位姿，而是6个关节的角度。

需要注意的是，在ROS中角度使用的单位是弧度，而在机械臂示教器中使用的单位是角度，需要进行单位的转换。

设置关节角为目标姿态时需要调用setJointValueTarget函数。

2.圆弧轨迹规划

在MoveIt!规划中，圆弧轨迹插补API是未提供的。实际应用里，例如焊接等任务需要圆弧轨迹，那么就需要自行实现。方法如下图所示，是用很多直线段模拟圆弧，取点越多越接近实际圆弧。在圆弧上均匀采样，将位置依次添加到路点，最后调用直线路径规划API实现圆弧运动，实现方法如右侧代码所示。

3.轨迹重定义

如果对规划出来的轨迹不是很满意，可以在“plan”和“execute”之间对轨迹进行修改。这里以删除轨迹中的中间点为例，对轨迹进行重定义。

首先调用MoveIt!的API规划得到一条路径plan（轨迹规划），如下列代码所示：

接着调用右侧代码中实现的函数，delete_trajectory(plan, 10);，这是对plan每隔10个点删除一个，完成轨迹重定义，当然如果删除的点太多，会造成真实机械臂运动产生卡顿和抖动。

4.多轨迹连续运动

如果要一次运动多种复杂的轨迹，使用前面的方法，需要每次规划路径，然后等待机械臂运动完成，再次规划下一条路径，如此往复。在执行每条路径后，要规划下一条路径，这必然会导致计算路径耗时所产生的停顿，如果计算机的运算能力不高，这种停顿时间会更加明显。

如何让机械臂在各段轨迹之间不停顿，一气呵成完成所有轨迹的运动？MoveIt!本身是没有此功能的，因为MoveIt!规划出来的轨迹一定是速度从0到0的轨迹，我们需要重新组合API的调用来实现多轨迹连续运动。

实现方法是将规划得到的多条轨迹拼接成一条，然后对这一条轨迹中的速度，加速度进行重新规划，成为一条完整的轨迹，关键就在于如何重规划。

下面给出用时间最优算法对拼接的轨迹进行重规划，当然也可以用其它算法实现。

下列是多条轨迹连续规划示例代码，生成新轨迹，然后就可以控制机械臂运动。

代码流程为首先定义一个轨迹变量trajectory，接着将已经规划好的路径中的每个点加入到trajectory中，重复此操作加入所有规划的轨迹，然后将所有的轨迹点重新规划，生成新的轨迹trajectory，最后将新轨迹赋值到规划变量中。

5.修改超时运动限制

MoveIt!对于机械臂运动一条轨迹的时间是有默认限制的，如果采用多轨迹连续运动，那么会认为这是一条完整的轨迹，一般复杂轨迹运动的时间是比较长的，所以需要修改这个限制，以防超时导致的报错，方法如下。

修改AUBO-E5的MoveIt功能包下launch文件夹下的trajectory_execution.launch.xml文件，将执行的超时时间修改为20，单位是秒，如果在运行时报timeout的错误，也和机械臂运行速度有关，可适当增大这个数值。

在下图所示的位置进行修改，需要注意的是，轨迹执行时间限制的修改最好经过测试并符合实际需求。

五、任务实施

接下来，我们来看下通过机械臂跳舞案例，展现正向运动学、轨迹重定义、多轨迹连续运动等内容。

12.机械臂复杂轨迹规划

六、任务拓展

设置机械臂速度与加速度限制。

为了使机械臂舞蹈运动速度和加速度更快，需要修改AUBO-E5的MoveIt功能包下config文件夹下的joint_limits.yaml文件，如右图所示，这里可以设置机械臂6个关节最大速度和加速度。

此文件内内参数的含义如下：

has_velocity_limits：速度限制是否生效，true代表生效，false代表不生效，生效时才能控制最大速度；
max_velocity：最大速度限制值，单位为弧度/s；
has_acceleration_limits：加速度限制是否生效，true代表生效，false代表不生效，生效时才能控制最大加速度；
max_acceleration：最大加速度限制值，单位为弧度/平方秒。

七、课堂小结

下面我们进行课堂小结：

1.本节内容主要针对MoveIt!的复杂路径规划，可以利用圆弧轨迹规划、轨迹重定义、多轨迹连续运动等方式完成需要的轨迹路径，这在实际的应用过程中是非常重要的。

2.真实机械臂的ROS最大速度与最大加速的限制调节需要以安全为主，特别是在调试开发阶段，防止速度超出预期造成不必要的损失，同时也请放心，在ROS控制下，机械臂的碰撞停止等安全功能依然有效。

八、课后练习

最后给大家布置一道课后习题。

1.利用圆弧轨迹规划的方法，编写1个在水平面规划圆形末端轨迹的程序节点，并控制真实机械臂完成此轨迹的验证。

2.利用轨迹重定义的方法，逐步删除轨迹中的路点，观察真实机械臂的运动情况。

在接下来的ROS课程中，我们会讲解遨博机械臂末端工具ROS驱动，欢迎持续关注。