遨博协作机器人ROS开发 - 机械臂复杂轨迹规划
目錄
一、簡介
二、環境版本
三、學習目標
四、知識儲備
?五、任務實施
六、任務拓展
?七、課堂小結
?八、課后練習
一、簡介
大家好，歡迎關注遨博學院帶來的系列技術分享文章（協作機器人ROS開發），今天我們來學習一下“機械臂復雜軌跡規劃”。
二、環境版本
- 主機系統版本：Windwos10 64位
- 處理器型號：Intel-i7
- 虛擬機版本：VMware Workstation 16 Pro
- 虛擬機系統：Ubuntu 18.04.6 LTS
- ROS版本：Melodic
三、學習目標
四、知識儲備
下面開始介紹本節內容的知識點：
1.MoveIt!的正向運動學
通過MoveIt!的API接口控制機械臂運動，程序中一般是通過設置機械臂末端需要到達的位姿，然后規劃路徑并執行來控制機械臂運動的，這樣可以保證每次末端都會運動到指定的位姿，但是，機械臂6個關節的姿態每次規劃并不一定相同。
如下方兩個示意圖所示，機械臂具有相同的末端位姿，但是具備不同的關節角。
?通過機械臂末端的位姿來計算機器人運動的路徑，其實是一個逆運動學的過程，如果需要每次機械臂運動后的整體姿態是固定的，就需要使用正運動學過程，如下列代碼所示，設置的目標不是末端的位姿，而是6個關節的角度。
需要注意的是，在ROS中角度使用的單位是弧度，而在機械臂示教器中使用的單位是角度，需要進行單位的轉換。
設置關節角為目標姿態時需要調用setJointValueTarget函數。
?2.圓弧軌跡規劃
在MoveIt!規劃中，圓弧軌跡插補API是未提供的。實際應用里，例如焊接等任務需要圓弧軌跡，那么就需要自行實現。方法如下圖所示，是用很多直線段模擬圓弧，取點越多越接近實際圓弧。在圓弧上均勻采樣，將位置依次添加到路點，最后調用直線路徑規劃API實現圓弧運動，實現方法如右側代碼所示。
3.軌跡重定義
如果對規劃出來的軌跡不是很滿意，可以在“plan”和“execute”之間對軌跡進行修改。這里以刪除軌跡中的中間點為例，對軌跡進行重定義。
首先調用MoveIt!的API規劃得到一條路徑plan（軌跡規劃），如下列代碼所示：
?接著調用右側代碼中實現的函數，delete_trajectory(plan, 10);，這是對plan每隔10個點刪除一個，完成軌跡重定義，當然如果刪除的點太多，會造成真實機械臂運動產生卡頓和抖動。
?4.多軌跡連續運動
如果要一次運動多種復雜的軌跡，使用前面的方法，需要每次規劃路徑，然后等待機械臂運動完成，再次規劃下一條路徑，如此往復。在執行每條路徑后，要規劃下一條路徑，這必然會導致計算路徑耗時所產生的停頓，如果計算機的運算能力不高，這種停頓時間會更加明顯。
如何讓機械臂在各段軌跡之間不停頓，一氣呵成完成所有軌跡的運動？MoveIt!本身是沒有此功能的，因為MoveIt!規劃出來的軌跡一定是速度從0到0的軌跡，我們需要重新組合API的調用來實現多軌跡連續運動。
實現方法是將規劃得到的多條軌跡拼接成一條，然后對這一條軌跡中的速度，加速度進行重新規劃，成為一條完整的軌跡，關鍵就在于如何重規劃。
下面給出用時間最優算法對拼接的軌跡進行重規劃，當然也可以用其它算法實現。
?下列是多條軌跡連續規劃示例代碼，生成新軌跡，然后就可以控制機械臂運動。
代碼流程為首先定義一個軌跡變量trajectory，接著將已經規劃好的路徑中的每個點加入到trajectory中，重復此操作加入所有規劃的軌跡，然后將所有的軌跡點重新規劃，生成新的軌跡trajectory，最后將新軌跡賦值到規劃變量中。
?5.修改超時運動限制
MoveIt!對于機械臂運動一條軌跡的時間是有默認限制的，如果采用多軌跡連續運動，那么會認為這是一條完整的軌跡，一般復雜軌跡運動的時間是比較長的，所以需要修改這個限制，以防超時導致的報錯，方法如下。
修改AUBO-E5的MoveIt功能包下launch文件夾下的trajectory_execution.launch.xml文件，將執行的超時時間修改為20，單位是秒，如果在運行時報timeout的錯誤，也和機械臂運行速度有關，可適當增大這個數值。
在下圖所示的位置進行修改，需要注意的是，軌跡執行時間限制的修改最好經過測試并符合實際需求。
?五、任務實施
接下來，我們來看下通過機械臂跳舞案例，展現正向運動學、軌跡重定義、多軌跡連續運動等內容。
12.機械臂復雜軌跡規劃
六、任務拓展
設置機械臂速度與加速度限制。
為了使機械臂舞蹈運動速度和加速度更快，需要修改AUBO-E5的MoveIt功能包下config文件夾下的joint_limits.yaml文件，如右圖所示，這里可以設置機械臂6個關節最大速度和加速度。
此文件內內參數的含義如下：
- has_velocity_limits：速度限制是否生效，true代表生效，false代表不生效，生效時才能控制最大速度；
- max_velocity：最大速度限制值，單位為弧度/s；
- has_acceleration_limits：加速度限制是否生效，true代表生效，false代表不生效，生效時才能控制最大加速度；
- max_acceleration：最大加速度限制值，單位為弧度/平方秒。
?七、課堂小結
下面我們進行課堂小結：
1.本節內容主要針對MoveIt!的復雜路徑規劃，可以利用圓弧軌跡規劃、軌跡重定義、多軌跡連續運動等方式完成需要的軌跡路徑，這在實際的應用過程中是非常重要的。
2.真實機械臂的ROS最大速度與最大加速的限制調節需要以安全為主，特別是在調試開發階段，防止速度超出預期造成不必要的損失，同時也請放心，在ROS控制下，機械臂的碰撞停止等安全功能依然有效。
?八、課后練習
最后給大家布置一道課后習題。
1.利用圓弧軌跡規劃的方法，編寫1個在水平面規劃圓形末端軌跡的程序節點，并控制真實機械臂完成此軌跡的驗證。
2.利用軌跡重定義的方法，逐步刪除軌跡中的路點，觀察真實機械臂的運動情況。
在接下來的ROS課程中，我們會講解遨博機械臂末端工具ROS驅動，歡迎持續關注。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的遨博协作机器人ROS开发 - 机械臂复杂轨迹规划的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
