机械臂运动规划实现

1. 创建MoveIt！功能包

为使移动机械臂系统能够使用MoveIt！提供的操作功能，必须为其主节点提供相应的输入即配置文件。为了提高MoveIt！的使用便利性，开发人员为用户提供了一个图形用户界面——MoveIt！配置助手（MoveIt！ Setup Assistant），该助手的主要功能是根据机器人的URDF（Unified Robots Description Format）模型文件创建SRDF（Semantic RObot Description Format）文件。SRDF文件用于在语义层面上表达各种应用需求下的机器人信息，而这些信息是URDF文件无法表述的，如机器人几种特定姿态的关节角信息、运动链等。因此，在使用MoveIt！配置助手之前，需要为本文的移动机械臂创建一个URDF模型文件。

2. 创建URDF模型文件

• URDF模型文件是描述机器人、传感器和室内环境等模型的XML表述文件。每一个XML表述语句都对应一个基于单一语言或多语言的语法解析器。URDF文件主要由Link标签和Joint标签两部分构成。如图1所示，Joint标签用于表述机器人的关节类型、运动学和动力学特性、连杆间的坐标转换关系等。Link标签用于表述连杆自身的运动学和动力学特性。由Joint标签和Link标签可构成各种形式的运动链，父连杆和子连杆的关系由Joint标签确定，如图1中的Link1作为两个子连杆Link2和Link3的父连杆。通过配置Joint标签和Link标签可构成不同形式的串联型树状结构。

  

  图 1. URDF树状结构

• UR5就是由6个关节和7个连杆构成的串联型树状结构。Joint标签主要有6种子标签用以配置父连杆与子连杆之间的关节类型、相应位姿等属性；Link标签主要由惯性、可视化和碰撞三个子标签构成，用以表述各连杆的惯性属性、可视化属性及碰撞属性。如图2所示：图 2. Joint标签和Link标签组成示意图

• 创建URDF文件，可以使用SolidWorks的ROS插件。SW2URDF可以将三维模型输出为URDF格式的文件，该文件可以直接在ROS中使用。

3. 配置MoveIt！

MoveIt！的配置工作可以通过配置助手完成，整个配置过程可以分为6个步骤：

1. 创建MoveIt！功能包，并加载已经创建好的移动机械臂的URDF模型；

2. 生成自碰撞矩阵。MoveIt！调用 FLC¹（Flexible Collision Library）对机器人本体的任意两连杆进行采样检测以确定他们的碰撞属性，减少运动规划的运算时间。碰撞属性分为从不碰撞、可能碰撞和已碰撞三类。高密度的采样能够较准确地检测连杆之间的碰撞属性，但会导致更多的计算耗时；低采样密度可节约计算资源但可能导致碰撞属性的错误检测。因此，需要根据机器人模型的连杆数进行合理的权衡。

3. 添加虚拟关节。虚拟关节用于表述机器人与世界坐标系的关系。例如本文的移动机械臂系统具有在平面环境内移动的能力，因此添加一个虚拟关节“virtual_joint”并将其关节类型设为“planar”，该关节类型表示可以实现平面内三自由度运动。从而构建了一个虚拟的坐标系转换关系：“odom”—>“virtual_joint”—>"base_footprint"，实现自主移动机械臂进行自主操作任务所需的完整坐标系转换信息。

4. 添加规划组及其运动学求解器。规划组用于语义性地描述机器人的不同部分，如定义那些部分是手臂或末端执行器。为了进行机械臂的运动规划，本文创建了UR5arm和UR5_gripper两个规划组，分别用于描述手臂和夹持器。

5. 预定义机器人的姿态。预定义姿态用于保存用户自定义的机器人特定姿态的关节信息，如Home姿态。

6. 生成配置文件。

至此，MoveIt！的配置工作完成。在Ubuntu系统上运行上述配置好的文件后，即可在Rviz可视化工具中对机器人系统进行仿真控制。

4. 运动规划仿真实验

为体现机械臂碰撞检测与运动规划的效果，为机器人构建一个工作场景。如图4-13所示，红色物体为模拟桌面，两个橘色柱状物体为放置在模拟桌面上的障碍物，橙色小长方体为机械臂抓取的目标物。仿真实验有两个目的：

• 检验机械臂在笛卡尔空间内运动规划的可行性
• 检验机械臂抓取与防止目标物体的行为以及在此过程中的避障运动规划可行性。

仿真实验设置了三个目标位姿，分别为运动规划的起始位姿，目标物的抓取位姿以及放置位姿。如图b）、c）、d）中夹持器的位姿所示，为验证避碰运动规划的效果，将三个目标位置用两个障碍物隔离，从起始位姿开始的运动规划过程中，对末端位姿添加了与抓取姿态相一致的姿态约束，使夹持器在机械臂运动过程中保持朝下的姿态。实验证明，基于正确的配置，MoveIt！可以实现机械臂的避碰运动规划。机械臂从起始位姿运动到抓取位姿的过程中成功地避开了第一障碍物，如图c）所示，深绿色线条为机械臂末端的夹持器中心点的轨迹。在机械臂抓取目标物体后，需要将其安全地送达放置位置，如图d）所示，由于对工具坐标系姿态的约束，机械臂为避开较高的障碍物，规划了一条将夹持器抬起到较高位置的路径，保证机器人本体和抓取的目标物体都不与障碍物发生碰撞。

参考文献

1. Pan, Jia, Sachin Chitta, and Dinesh Manocha. "FCL: A general purpose library for collision and proximity queries." Robotics and Automation (ICRA), 2012 IEEE International Conference on. IEEE, 2012.

2017.6.20

Junkai