基于ROS的機(jī)械臂模型構(gòu)建及優(yōu)化方法研究

陳永平 何永艷 王凱凱

摘 要： 機(jī)械臂建模是開源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS的應(yīng)用基礎(chǔ)，為提高機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃、仿真的效率，研究了基于ROS的機(jī)械臂模型URDF文件的構(gòu)建方法，并采用常量定義、宏定義、文件包含等方法對URDF文件進(jìn)行了精簡、優(yōu)化，同時介紹了一種利用三維模型生成URDF文件的方法。結(jié)果證明，經(jīng)過優(yōu)化的模型可參數(shù)化地進(jìn)行修改，便于二次開發(fā)，優(yōu)化方法大大提高了機(jī)械臂模型構(gòu)建的效率，為后續(xù)利用MoveIt、Gazebo工具對機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃、仿真等操作提供了便利。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械臂建模; 機(jī)器人操作系統(tǒng); 模型優(yōu)化

中圖分類號： TP391.9; TP242.2 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Modeling and Optimizing Method of

Robotic Manipulator Based on ROS

CHEN Yongping， HE Yongyan， WANG Kaikai

（Department of Mechanical and Energy Engineering， Shanghai Technical Institute of

Electronics & Information， Shanghai 201411）

Abstract： Manipulator modeling is the application foundation of ROS. In order to improve the efficiency of manipulator motion planning and simulation， this paper studies the construction method of URDF file of manipulator model based on ROS， and simplifies and optimizes the URDF file by constant definition， macro definition， file inclusion and so on. At the same time， a method of URDF file generation using three-dimensional model is introduced. The results show that the optimized model can be parameterized and modified to facilitate secondary development. The optimized method greatly improves the efficiency of the manipulator model construction， and provides convenience for subsequent manipulation such as path planning and simulation using MoveIt， Gazebo tools.

Key words： Manipulator modeling; Robot operating system （ROS）; Model optimization

0 引言

Robot Operating System簡稱ROS，是一種開源機(jī)器人操作系統(tǒng)，2007年誕生于斯坦福。經(jīng)過10多年的發(fā)展，ROS為開發(fā)者提供了一系列非常有用的工具和先進(jìn)算法，例如：超強(qiáng)大的3D可視化工具Rviz、機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃的模塊MoveIt、最著名的運(yùn)動規(guī)劃開源項目OMPL、開源視覺伺服項目Visp、優(yōu)秀的開源仿真平臺Gazebo、開源點云處理庫PCL、移動機(jī)器人路徑規(guī)劃模塊Navagation等[1-3]，使用它們可以大大提高開發(fā)效率?，F(xiàn)在，包括四大家族在內(nèi)的越來越多的機(jī)器人廠商開始嘗試使用ROS，通過采用統(tǒng)一的URDF模型和機(jī)器人驅(qū)動的方式來封裝機(jī)器人。這樣可以不用關(guān)心機(jī)器人的控制方式，只要在ROS環(huán)境下，用MoveIt規(guī)劃控制機(jī)械臂運(yùn)動、編寫應(yīng)用程序，即可實現(xiàn)機(jī)器人的控制。

1 機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)模型及其建立

ROS中采用通用描述格式URDF（ Unified Robot Description Format）來定義機(jī)械臂模型。不同于傳統(tǒng)的CAD模型文件，URDF文件以XML文本文件的格式描述機(jī)器人模型，可存儲模型的外觀、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等信息，同時還支持模型的自碰撞檢測[4]。

一個完整的機(jī)械臂模型由一系列連桿和關(guān)節(jié)組成[4-7]，在URDF文件中，機(jī)械臂模型的描述方法為，如圖1所示。

”>

……

……

……

連桿用于描述機(jī)器人剛體，存儲其尺寸（size）、外形（shape）、顏色（color）、慣性（inertial）、碰撞（collision）等信息，其描述方法為，如圖2所示。

”>

……

……

……

關(guān)節(jié)則用于表達(dá)兩連桿的連接，如圖3所示。

描述關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)屬性、關(guān)節(jié)運(yùn)動的位置和速度限制等信息，描述方法為：

” type=””>

……

根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動形式，可以將其分為六種類型：continuous（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以圍繞單軸無限旋轉(zhuǎn)）、tevolute（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，類似與continuous，但是有旋轉(zhuǎn)的角度極限）、 prismatic（滑動關(guān)節(jié)，沿某一軸線移動的關(guān)節(jié)，帶有位置極限）、 planar（平面關(guān)節(jié)，允許在平面正交方向上平移或者旋轉(zhuǎn)）、 floating （浮動關(guān)節(jié)，允許進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動）、fixed（固定關(guān)節(jié)、不允許運(yùn)動的特殊關(guān)節(jié)）。

2 URDF文件的優(yōu)化方法

URDF建模存在模型冗長，重復(fù)內(nèi)容過多，參數(shù)修改麻煩，不便于二次開發(fā)，沒有參數(shù)計算的功能的缺點。因此可對URDF模型進(jìn)行改進(jìn)，利用xacro文件通過進(jìn)行宏定義、文件包含等方法進(jìn)行模型代碼的精簡，通過常量、變量、數(shù)學(xué)計算、條件語句提供可編程的接口。

xacro文件主要優(yōu)化方法如下：

1） 常量定義： ，其中name為常量名稱，value為常量值。例如，定義了一個3.14159的常量M_PI。

2） 數(shù)學(xué)計算：{ }，例如：。

3） 宏定義： ? ? ……

其中name為宏名稱，params為宏參數(shù)。

4） 文件包含：

例如：，包含了一個mbot_base.xacro文件，且指明了路徑。

一帶夾爪的六軸機(jī)械臂簡化模型，對于該模型link1的采用xacro優(yōu)化后的代碼如下，圖4所示。

其屬性 （Visual）、慣性（inertial）、碰撞（collision）等屬性代碼中的link1_length、M_PI等常量都進(jìn)行了定義、數(shù)學(xué)計算等預(yù)處理，這樣精簡了模型，便于修改。以圓柱體慣性矩陣為例，其宏定義如下所示。

iyy="{m*（3*r*r+h*h）/12}" iyz = "0"

izz="{m*r*r/2}" />

xcaxo文件的解析可采用2種方法：

1） 運(yùn)行ros指令將xacro文件轉(zhuǎn)換成URDF文件后顯示。

例如將mbot.xacro文件轉(zhuǎn)換為mbot.urdf文件：rosrun xacro xacro.py mbot.xacro>mbot.urdf。

2） 直接調(diào)用xacro文件解析器顯示。

例如：

3 三維模型生成URDF文件方法

對于結(jié)構(gòu)較簡單的機(jī)械臂可以采用以上描述的方法手動編寫URDF文件，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械臂模型，大部分都是使用三維軟件創(chuàng)建的?？稍赟olidWorks軟件中安裝sw2urdf插件，借助工具將CAD模型文件轉(zhuǎn)換成URDF模型文件。模型文件指向STL外部網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以精確表現(xiàn)機(jī)械臂的模型特征[5-6]。

SolidWorks中的UR3機(jī)器人模型，在SolidWorks中設(shè)置各個基準(zhǔn)軸，各個基準(zhǔn)軸即為，如圖5所示。

打開sw2urdf插件，在插件中設(shè)置連桿屬性，設(shè)置完成后導(dǎo)出URDF模型，如圖6所示。

4 解析URDF文件

（1） 顯示URDF關(guān)系

對構(gòu)建的三維模型可使用ROS中的graphiz虛擬顯示所構(gòu)建的URDF結(jié)構(gòu)關(guān)系[8-9]。UR3模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖7所示。圖中矩形代表link，橢圓代表joint。

（2） 使用Rviz顯示模型

使用sw2urdf插件導(dǎo)出的模型文件夾命名為ur3，其中包含了URDF模型及一些輔助顯示的文件，可將其拷貝至src文件夾中進(jìn)行編譯。然后使用roslaunch ur3 display.launch打開launch文件夾中的display.launch文件，利用rivz顯示3D模型，并可使用joint_state_publisher對機(jī)器人進(jìn)行關(guān)節(jié)控制，如圖8所示。

但對于手動編寫的URDF文件，需要自己編寫顯示的launch文件進(jìn)行顯示。

5 總結(jié)

本文研究了ROS 環(huán)境下機(jī)器人模型的編程構(gòu)建方法和3D模型導(dǎo)出方法，并詳細(xì)介紹了URDF模型的優(yōu)化方法。通過graphiz虛擬顯示了模型連桿、關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并利用Rviz中進(jìn)行了URDF模型三維加載和關(guān)節(jié)控制。實踐證明，該模型的構(gòu)建方法是有效、可靠的。后續(xù)可在ROS中利用MoveIt！、Gazebo等工具對機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃、仿真操作等操作。

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（收稿日期： 2019.08.23）

基金項目：2018年上海高校青年科研骨干培養(yǎng)計劃（18CGB15）

作者簡介：陳永平（1977-），男，碩士，講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用文章編號：1007-757X（2020）02-0013-04