在ROS仿真中使用Python程序控制UR机械臂运动

本文介绍了如何在Ubuntu20.04和ROSNoetic环境下,通过Python编写程序控制UR5机械臂在Gazebo仿真环境中运动。主要步骤包括创建工作空间、安装ROS包、运行launch文件以启动机械臂模型,然后识别控制话题并理解action通信机制。通过编写Python脚本,利用actionlib发送JointTrajectoryActionGoal来实现关节运动控制,最终在rviz中可视化机械臂的运动轨迹。

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本文参考:手写ROS程序控制ur5机械臂运动(Python)_python控制ur5_孟德尔的猫的博客-优快云博客

本文使用的环境:

Linux版本:Ubantu20.04 

ros版本:ros-noetic-desktop-full,安装此版本ros无需再安装moveit运动规划库

编译软件:vscode

1  创建工作空间并安装ros包

mkdir -p ~/ur_ws/src
cd ~/ur_ws/src
git clone https://github.com/ros-industrial/universal_robot
cd ..
catkin_make

2  运行相关launch文件

在下载的包中,在universal_robot/ur_gazebo/launch路径下有一个ur5_bringup.launch文件

roslaunch ur_gazebo ur5_bringup.launch

可以在Gazebo中看到有一个ur机械臂

 新打开一个终端输入rostopic list查看话题

rostopic list

 其中 /eff_joint_traj_controller/follow_joint_trajectory 是控制 ur 运动的话题,很明显,该话题使用的是action通信,有关 action 通信的知识可以看一下赵虚左老师讲的 ros 教程【Autolabor初级教程】ROS机器人入门_哔哩哔哩_bilibili

终端输入命令

rostopic type /eff_joint_traj_controller/follow_joint_trajectory/goal 

可以看到该话题的类型是 control_msgs/FollowJointTrajectoryActionGoal

再使用命令

rosmsg show control_msgs/FollowJointTrajectoryActionGoal

 可以看到红框中的就是我们需要关心的

3  编写Python文件

进入工作空间打开vscode

cd ur_ws/
code .

新建功能包,并添加依赖项:rospy  std_msgs actionlib

在新建功能包下添加问价夹 scripts,并在该文件夹添加demo01.py文件,可以参考赵虚左老师的ros教程,Python代码如下

#! /usr/bin/env python
from trajectory_msgs.msg import *
from control_msgs.msg import *
import rospy
import actionlib
from sensor_msgs.msg import JointState
 
JOINT_NAMES = ['shoulder_pan_joint', 'shoulder_lift_joint', 'elbow_joint',
               'wrist_1_joint', 'wrist_2_joint', 'wrist_3_joint']
 
def move():
          #goal就是我们向发送的关节运动数据,实例化为FollowJointTrajectoryGoal()类
          goal = FollowJointTrajectoryGoal()
 
          #goal当中的trajectory就是我们要操作的,其余的Header之类的不用管
          goal.trajectory = JointTrajectory()
          #goal.trajectory底下一共还有两个成员,分别是joint_names和points,先给joint_names赋值
          goal.trajectory.joint_names = JOINT_NAMES
 
          #从joint_state话题上获取当前的关节角度值,因为后续要移动关节时第一个值要为当前的角度值
          joint_states = rospy.wait_for_message("joint_states",JointState)
          joints_pos = joint_states.position
 
          #给trajectory中的第二个成员points赋值
          #points中有四个变量,positions,velocities,accelerations,effort,我们给前三个中的全部或者其中一两个赋值就行了
          goal.trajectory.points=[0]*4
          goal.trajectory.points[0]=JointTrajectoryPoint(positions=joints_pos, velocities=[0]*6,time_from_start=rospy.Duration(0.0))
          goal.trajectory.points[1]=JointTrajectoryPoint(positions=[0.1,0,-0.2,0,0,0], velocities=[0]*6,time_from_start=rospy.Duration(1.0))
          goal.trajectory.points[2]=JointTrajectoryPoint(positions=[2,0,-1,0,0,0], velocities=[0]*6,time_from_start=rospy.Duration(2.0))
          goal.trajectory.points[3]=JointTrajectoryPoint(positions=[2.57,0,-1.57,0,0,0], velocities=[0]*6,time_from_start=rospy.Duration(3.0))
          
          #发布goal,注意这里的client还没有实例化,ros节点也没有初始化,我们在后面的程序中进行如上操作
          client.send_goal(goal)
          client.wait_for_result()
 
def pub_test():
          global client
 
          #初始化ros节点
          rospy.init_node("pub_action_test")
 
          #实例化一个action的类,命名为client,与上述client对应,话题为/eff_joint_traj_controller/follow_joint_trajectory,消息类型为FollowJointTrajectoryAction
          client = actionlib.SimpleActionClient('/eff_joint_traj_controller/follow_joint_trajectory', FollowJointTrajectoryAction)
          print("Waiting for server...")
          #等待server
          client.wait_for_server()
          print("Connect to server......")
          #执行move函数,发布action
          move()
 
if __name__ == "__main__":
    count = 0
    while not rospy.is_shutdown():
        count += 1
        pub_test()
        rospy.loginfo("发布次数:%d",count)

给demo01.py 文件添加可执行权限

 在新建功能包下的 CMakeList.txt 中配置 demo01.py文件

 配置完后编译文件

4   终端测试

编译成功后运行demo01.py文件

source ./devel/setup.bash
rosrun control_p demo01.py

这时候就可以看到Gazebo中的ur机械臂动起来了

 运行rviz

roslaunch ur5_moveit_config moveit_rviz.launch config:=true

勾选末端轨迹 Show Trail ,就可以看到rviz中的ur机械臂运动轨迹了

### 设置和运行 UR5 机器人仿真环境 #### 准备 ROS Noetic 和 MoveIt! 为了在 Ubuntu 20.04 上设置并运行 UR5 机器人仿真环境,需先确保已经安装了 ROS Noetic 和 MoveIt!。可以通过如下命令来完成软件包的安装: ```bash sudo apt update sudo apt install ros-noetic-desktop-full source /opt/ros/noetic/setup.bash echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc sudo apt-get install ros-noetic-moveit[^4] ``` #### 创建 Catkin 工作空间 创建一个新的 Catkin 工作空间用于管理所有的源码文件以及编译后的产物。 ```bash mkdir -p ~/catkin_ws/src cd ~/catkin_ws/ wstool init src ``` #### 获取必要的资源库 下载官方支持的 Universal Robots 的 ROS 软件包集合以及其他依赖项到工作区中。 ```bash roscd ur_robot_driver/.. git clone https://github.com/fmauch/universal_robot.git -b noetic-devel . rosdep install --from-paths . --ignore-src -r -y ``` #### 编译项目 切换回顶层目录执行 `catkin_make` 来构建整个工程结构体内的所有节点和服务端口定义等内容。 ```bash cd ~/catkin_ws && catkin_make source devel/setup.sh echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc ``` #### 启动 Gazebo 仿真器与 RViz 可视化工具 启动带有预设场景配置好的Gazebo模拟世界,并加载对应的MoveIt插件以便于操作规划路径等功能特性。 ```bash export ROBOT_IP=192.168.XX.YY # 替换成实际IP地址, 如果仅做本地测试则无需此步 roslaunch ur_gazebo ur5.launch limited:=true sleep 5s roslaunch moveit_ros_move_group demo.launch \ allow_trajectory_execution:=true \ fake_controller_action:=false \ robot_ip:=192.168.XX.YY \ # 实际连接物理设备时指定参数 load_gripper:=false rviz ``` 以上步骤完成后,在RViz界面里就可以看到虚拟出来的UR5模型并且可以对其进行交互式的动作指令发送等实验活动了[^2]。
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