基于ROS的機(jī)器人宇航員模型構(gòu)建與仿真驗(yàn)證

，，，

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著國內(nèi)外空間站項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)可以協(xié)助甚至代替宇航員進(jìn)行危險(xiǎn)艙外操作的機(jī)器人宇航員成為亟待研究的課題。加拿大航天局(CSA)的國際空間站艙外雙臂機(jī)器人Dextre[1]，通常固定在“加拿大臂”末端或在指定軌道上移動，能夠協(xié)助宇航員完成艙外任務(wù)甚至代替其執(zhí)行一些危險(xiǎn)任務(wù)。美國航空航天局(NASA)的艙內(nèi)雙臂機(jī)器人Robonaut2[2]作為國際空間站乘員，初期任務(wù)的主要目標(biāo)是驗(yàn)證雙臂機(jī)器人在太空零重力、高輻射環(huán)境中的適應(yīng)性，后期將協(xié)助人類宇航員，甚至和人類宇航員共同進(jìn)行艙外活動等復(fù)雜任務(wù)。ROS開源機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺[3]，具有易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和豐富的機(jī)器人軟件系統(tǒng)開發(fā)工具等優(yōu)點(diǎn)，很大程度上解決了代碼復(fù)用和軟件模塊化的問題。在此，結(jié)合機(jī)器人宇航員預(yù)研項(xiàng)目，使用ROS對機(jī)器人宇航員模型進(jìn)行搭建，闡述在ROS環(huán)境下機(jī)器人宇航員模型構(gòu)建的方法[4]，包括機(jī)器人描述格式文件的構(gòu)建、三維零件導(dǎo)入和節(jié)點(diǎn)動態(tài)鏈接等。

1 宇航員機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙臂仿人機(jī)器人宇航員由以下幾部分組成：頭部、軀干、左右手臂、左右靈巧手和可移動輪式平臺。典型機(jī)器人宇航員系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)整體是由大量集成的軟硬件組成的分布式系統(tǒng)，通過傳感器、控制器與執(zhí)行器共同協(xié)作完成任務(wù)。在控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)開發(fā)階段，它能夠極大簡化不同部分的硬件集成，簡化仿真實(shí)驗(yàn)。

圖1 典型機(jī)器人宇航員系統(tǒng)

機(jī)器人宇航員結(jié)構(gòu)具備49個自由度[5]，其中包括2個7自由度機(jī)械臂，2個15自由度的HIT/DLR Hand Ⅱ靈巧手[6]，具有俯仰和回轉(zhuǎn)2自由度的腰部[7]和3自由度的頭部[8]。機(jī)器人宇航員的手臂與腰部的D-H參數(shù)如表1和表2所示。其中，ai-1和αi-1分別為連桿i-1的長度和扭角；di和θi分別為連桿i之間的偏置和夾角。

表1 右臂D-H參數(shù)

表2 腰部D-H參數(shù)

機(jī)器人宇航員的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，外觀尺寸接近人體比例。眼部固定2臺相機(jī)作為其雙目視覺感知設(shè)備。機(jī)器人宇航員頭部具備3個自由度，分別可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)、俯仰和側(cè)擺3類運(yùn)動，同時(shí)頸部具備可旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

機(jī)器人宇航員軀干作為其主體，連接著頭部與兩側(cè)的七自由度機(jī)械臂。軀干下方固定在輪式移動平臺上。軀干具備關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，可以使軀干完成回轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動，且具備更大的輸出力矩與關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍。

機(jī)器人宇航員雙臂結(jié)構(gòu)采用七自由度冗余機(jī)械臂，左右臂末端分別連接左右靈巧手。宇航員機(jī)器人機(jī)械臂的各個關(guān)節(jié)間具有近似的結(jié)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 機(jī)器人宇航員模型建立

ROS是基于Linux的開源的機(jī)器人軟件系統(tǒng)開發(fā)框架，其特點(diǎn)是基于進(jìn)程間通信機(jī)制把機(jī)器人系統(tǒng)中的各個模塊，如關(guān)節(jié)控制、運(yùn)動規(guī)劃和碰撞檢測等，分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的程序，從而降低了模塊之間的依賴，實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)的高內(nèi)聚和低耦合，降低了不同系統(tǒng)之間共享代碼的難度，提高了代碼的復(fù)用率。在此基礎(chǔ)上，ROS提供了各種系統(tǒng)中間件以簡化機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)，如機(jī)器人描述語言URDF，機(jī)器人關(guān)節(jié)控制架構(gòu)ROS Control，機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃框架MoveIt！等。

ROS建立在Linux操作系統(tǒng)之上，分布式的處理方式分散了來自各個功能實(shí)時(shí)計(jì)算的壓力，實(shí)現(xiàn)了模塊之間的松耦合。節(jié)點(diǎn)之間可以采用message，service，action等的不同的通訊模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，ROS支持多種編程語言機(jī)器接口實(shí)現(xiàn)，包括C++，Python，Lisp等。在機(jī)器人軟件系統(tǒng)中可以使用C/C++進(jìn)行底層開發(fā)，如驅(qū)動程序、控制算法等，而基于Python，Lisp等腳本語言完成任務(wù)規(guī)劃、用戶界面等上層模塊，從而簡化系統(tǒng)開發(fā)，增加系統(tǒng)的魯棒性和可維護(hù)性。

在機(jī)器人操作系統(tǒng)中，使用機(jī)器人統(tǒng)一描述格式(URDF)來描述機(jī)器人的關(guān)節(jié)配置、關(guān)節(jié)限位和外觀信息等。URDF是基于XML[9]的一種描述式建模語言，具有便于理解、便于維護(hù)和修改的特點(diǎn)。

在ROS機(jī)器人統(tǒng)一描述格式描述中，機(jī)器人宇航員樹形結(jié)構(gòu)模型由本體、關(guān)節(jié)和節(jié)點(diǎn)等共同組成。機(jī)器人宇航員本體由基座、腰部、軀干3部分構(gòu)成。左右手臂分別由7個關(guān)節(jié)連桿與1只靈巧手構(gòu)成，本體與頭部、手臂通過節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)形成機(jī)器人整體架構(gòu)。

建立機(jī)器人宇航員的機(jī)器人模型需要構(gòu)建不含結(jié)構(gòu)大小與尺寸信息的URDF樹形結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入三維零件模型。完成URDF基本指令的編寫后，需要對完成的文件進(jìn)行校驗(yàn)，確保文件準(zhǔn)確性。

表3 URDF基本命令

機(jī)器人宇航員的基座、軀干、頭部以及各個關(guān)節(jié)等三維模型在Pro/E中建立。使用字段中的字段及絕對路徑解析三維部件模型，導(dǎo)入機(jī)器人宇航員統(tǒng)一描述格式中。劃分后的機(jī)器人宇航員三維部件如圖2所示。

圖2 機(jī)器人宇航員三維部件

在基本的樹形結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，使用字段將link相對joint的相對偏移量和旋轉(zhuǎn)量標(biāo)識出來。其中，x，y，z表示joint相對于link的偏移量，r，p，y表示其旋轉(zhuǎn)角度。定義origin參數(shù)使其整體結(jié)構(gòu)各個部件間相對位置準(zhǔn)確。使用字段為joint添加旋轉(zhuǎn)信息，分別對x，y，z進(jìn)行賦值，“0”表示固定軸，“1”表示旋轉(zhuǎn)軸。確定axis參數(shù)使結(jié)構(gòu)可以正確運(yùn)動轉(zhuǎn)動。

以左臂關(guān)節(jié)連桿left arm link 5與left arm link 6為例進(jìn)行建模，所得left arm joint 6關(guān)節(jié)連桿結(jié)構(gòu)相對關(guān)系如圖3所示。其他關(guān)節(jié)連桿關(guān)系的建立相類似，搭建雙臂仿人宇航員機(jī)器人的模型，后利用計(jì)算機(jī)在ROS環(huán)境中對機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動仿真。

圖3 關(guān)節(jié)連桿結(jié)構(gòu)相對關(guān)系

3 運(yùn)動學(xué)仿真

3.1 ROS通信模型

消息文件(message)是用于描述ROS消息域的文本文檔，該文件用于生成以不同編程語言編寫的源代碼。msg文件存儲在一個功能包下的msg目錄下。消息文件每1行給出1個域類型和值域。其提供統(tǒng)一的串行化/解串行化方法，通過自定義消息文件生成代碼減輕復(fù)雜工作量。如本實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)joint_state_publisher所發(fā)布的話題joint_states的消息類型為sensor_msgs。

服務(wù)文件(services)是用于描述服務(wù)的文件，由請求和響應(yīng)2部分組成，是另一種節(jié)點(diǎn)間相互通信的方法。服務(wù)文件儲存在一個功能包下的srv目錄下，用于處理ROS通訊中的同步通訊，采用server/client語義。每個service type擁有request與response 2部分，對于service中的server，ROS不會檢查重名，只有最后注冊的server會生效，與client建立連接。本文實(shí)驗(yàn)中joint_state_publisher與rviz等節(jié)點(diǎn)均具有g(shù)et_longgers與set_longer_level的服務(wù)通訊類型。

action是ROS中一個很重要的功能包集合，可以解決在請求-響應(yīng)式的使用場景中，srevice機(jī)制在請求執(zhí)行期間用戶無法查看執(zhí)行的進(jìn)度或者取消請求的問題。ctionlib使用client-server工作模式，ActionClient 和ActionServer通過“ROS Action Protocol”進(jìn)行通信，“ROS Action Protocol”以ROS消息方式進(jìn)行傳輸。ActionClient 和ActionServer給用戶提供了接口，用戶使用這些接口可以完成goal請求(client)和goal執(zhí)行(server)。在運(yùn)動規(guī)劃框架MoveIt！中常用此種通信方式，運(yùn)動規(guī)劃框架MoveIt！的規(guī)劃結(jié)果以一個action的形式發(fā)布。

3.2 關(guān)節(jié)連桿與動態(tài)節(jié)點(diǎn)

根據(jù)已知的機(jī)器人宇航員架構(gòu)URDF文件，分析各個模塊的數(shù)據(jù)與消息傳遞機(jī)制，可建立宇航員機(jī)器人關(guān)節(jié)連桿關(guān)系樹形結(jié)構(gòu)。在完成了機(jī)器人宇航員整體URDF模型構(gòu)建后，使用ROS包中的可視化工具可以使建立的URDF結(jié)構(gòu)圖像化顯示。URDF可視化樹形結(jié)構(gòu)圖能夠顯示關(guān)節(jié)之間位置角度的相對關(guān)系，以及整體與部分、父關(guān)節(jié)與子關(guān)節(jié)的明確關(guān)系。

建立機(jī)器人宇航員內(nèi)部節(jié)點(diǎn)動態(tài)鏈接。ROS定義了基于主題的點(diǎn)對點(diǎn)消息傳遞機(jī)制，具體實(shí)現(xiàn)在儲存節(jié)點(diǎn)、主題、服務(wù)的注冊信息的節(jié)點(diǎn)管理器中。節(jié)點(diǎn)在與節(jié)點(diǎn)管理器通信時(shí)，可獲取關(guān)于其他已注冊節(jié)點(diǎn)的信息并且建立與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。當(dāng)節(jié)點(diǎn)訂閱主題時(shí)會建立一個與發(fā)布該主題節(jié)點(diǎn)的鏈接，并在協(xié)議的基礎(chǔ)上建立連接。機(jī)器人宇航員仿真節(jié)點(diǎn)如圖4所示。圖4中橢圓代表各個功能節(jié)點(diǎn)，矩形框代表傳遞的消息數(shù)據(jù)，箭頭代表消息數(shù)據(jù)的傳遞方向。

圖4 仿真節(jié)點(diǎn)框圖

在通訊過程中，ROS創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)連接所有進(jìn)程。其中，所有節(jié)點(diǎn)均可通過創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)與其余各個節(jié)點(diǎn)交互，獲取其發(fā)布信息或?qū)⒆陨頂?shù)據(jù)發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)上。節(jié)點(diǎn)之間通過消息完成溝通交流，消息中包含了節(jié)點(diǎn)發(fā)布的數(shù)據(jù)信息。主題相當(dāng)于對消息進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)總線，消息信息會發(fā)布到相應(yīng)的主題。節(jié)點(diǎn)通過的訂閱主題的方式接收來自其他節(jié)點(diǎn)的消息。

3.3 運(yùn)動仿真驗(yàn)證

將完成的URDF文件絕對路徑打開，啟動三維可視化工具Rviz，完成機(jī)器人宇航員模型的導(dǎo)入。在機(jī)器人操作系統(tǒng)中Rviz環(huán)境下對機(jī)器人宇航員三維模型進(jìn)行運(yùn)動仿真，通過控制關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人宇航員的運(yùn)動控制。其模擬運(yùn)動過程如圖5所示，其中使用多個運(yùn)動時(shí)間節(jié)點(diǎn)代表模擬運(yùn)動的全過程，表示機(jī)器人宇航員運(yùn)動可達(dá)預(yù)設(shè)工作環(huán)境的所有目標(biāo)位置。

圖5 機(jī)器人宇航員模擬運(yùn)動

為使機(jī)器人宇航員模型完成工作空間中目標(biāo)物體的抓取實(shí)驗(yàn)，需要將機(jī)器人可移動的關(guān)節(jié)角定義關(guān)節(jié)運(yùn)動類型，使各個關(guān)節(jié)根據(jù)目標(biāo)位置信息運(yùn)動到合適的關(guān)節(jié)角來確定末位置姿態(tài)。字段表示關(guān)節(jié)可旋轉(zhuǎn)，表示關(guān)節(jié)固定不可旋轉(zhuǎn)。在關(guān)節(jié)角狀態(tài)發(fā)布器窗口中，可控制并監(jiān)測各個關(guān)節(jié)角的運(yùn)動位姿狀態(tài)。通過末端位置，調(diào)整發(fā)布器中關(guān)節(jié)角旋轉(zhuǎn)角度可使宇航員機(jī)器人到達(dá)抓取位置，完成對目標(biāo)物體的抓取任務(wù)。對工作臺上目標(biāo)杯子的抓取模擬實(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖6 工作臺上杯子的抓取模擬實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語

提出了一種在ROS環(huán)境中建立雙臂仿人機(jī)器人宇航員三維可視化模型與機(jī)器人模擬運(yùn)動仿真的方法，使用開源次級操作系統(tǒng)ROS的統(tǒng)一機(jī)器人描述格式URDF，對雙臂仿人宇航員機(jī)器人進(jìn)行模型建立。通過對宇航員機(jī)器人各個關(guān)節(jié)與整體進(jìn)行模擬運(yùn)動仿真，驗(yàn)證該模型的合理性，同時(shí)完成了雙臂宇航員機(jī)器人對工作空間內(nèi)目標(biāo)物體的抓取模擬實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)為在ROS環(huán)境下對機(jī)器人宇航員復(fù)雜運(yùn)動控制打下基礎(chǔ)，后期將對本課題深入研究，建立機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)模型，對雙臂模型進(jìn)行完整的運(yùn)動規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與固定目標(biāo)對接、雙臂夾持搬運(yùn)物體等復(fù)雜工作。

[1] Coleshill E, Oshinowo L, Rembala R, et al. Dextre: Improving maintenance operations on the International Space Station[J]. Acta Astronautica, 2009, 64(9/10):869-874.

[2] Diftler M A, Mehling J S, Abdallah M E, et al. Robonaut 2 - The first humanoid robot in space[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2011:2178-2183.

[3] 張建偉, 張立偉，胡穎,等.開源機(jī)器人操作系統(tǒng):ROS[J].北京：科學(xué)出版社，2012.

[4] Quigley M, Conley K, Gerkey B P, et al. ROS: an open-source robot operating system[C]// ICRA Workshop on Open Source Software，2009.

[5] 夏晶,蔣再男,劉宏,等.機(jī)器人宇航員遙操作中手臂運(yùn)動映射優(yōu)化[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 40(12):55-59.

[6] 樊紹巍,劉伊威,金明河,等.HIT/DLR HandⅡ類人形五指靈巧手機(jī)構(gòu)的研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(2):171-177.

[7] 姜力,周揚(yáng),孫奎,等.七自由度冗余機(jī)械臂障控制[J].光學(xué)精密工程,2013,21(7):1795-1802.

[8] 朱俊杰,王濱,劉宏,等.仿人機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)及目標(biāo)跟蹤研究[J].機(jī)械與電子,2010(7):49-52.

[9] Deutsch A, Fernandez M,Florescu D,et al.A query language for XML[J].Computer Networks, 1999, 31(11/12/13/14/15/16):1155-1169.