基于ROS平臺的機械臂精確控制分析

張瑜 劉冰 馬雪 管曉宏

摘 要：傳統(tǒng)的機器人虛擬控制與仿真平臺在控制機器人運動時存在諸多問題，例如控制系統(tǒng)設(shè)計工作量大、開發(fā)難度大等，需要利用基于開源軟件平臺即ROS平臺的機械臂運動控制方法解決問題，加大軟件控制的力度，提高機器人運動控制的精準性。

關(guān)鍵詞：ROS平臺;機械臂;精確控制

前言：

一直以來，軟件控制領(lǐng)域都十分關(guān)注機械臂的精確控制問題。從控制工程這一層面來看，機械臂屬于含有非線性模型的物理系統(tǒng)。但是，當(dāng)前基于ROS平臺的機械臂控制器研究的都是線性PID控制器，為此應(yīng)該加大對基于ROS平臺的機械臂精確控制的研究力度。

1 機器人操作系統(tǒng)分析

ROS指的是以UNIX環(huán)境為基礎(chǔ)的用于機器人的操作系統(tǒng)，具有多重功能，主要包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、程序發(fā)行包管理、程序消息傳遞、共用功能執(zhí)行等【1】。同時，該系統(tǒng)也可以提供一些程序與庫，從而編寫程序、運行程序。

1.1 構(gòu)建ROS中的仿真模型

ROS作為機器人操作系統(tǒng)不僅可以和真實的機器人通信，也可以對機器人仿真模型進行相應(yīng)的操作。ROS當(dāng)中有標準化機器人描述格式，可以識別機器人模型文件，可以描述機器人的結(jié)構(gòu)、自由度以及關(guān)節(jié)等各個方面的情況，可以為機器人提供多種物理響應(yīng)，例如運動學(xué)鏈、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。應(yīng)該利用SolidWorks構(gòu)建機械臂的三維模型，之后利用SW2urdf插件設(shè)置機械臂的各個關(guān)節(jié)與連接，這樣就可以導(dǎo)出標準化機器人描述格式。

1.2? ROS控制架構(gòu)

機器人機械系統(tǒng)的運行需要控制系統(tǒng)的支持，以ROS平臺為基礎(chǔ)的機械臂控制系統(tǒng)架構(gòu)。機械系統(tǒng)控制架構(gòu)是由五個層次共同構(gòu)成的，即關(guān)節(jié)狀態(tài)反饋、被控對象機械臂、運動控制層、路徑規(guī)劃層、用戶層。其中，關(guān)節(jié)狀態(tài)觀測器可以實時掌握機器人關(guān)節(jié)的狀態(tài)，并處理突發(fā)情況;運動控制層是控制框架的核心，可以運算規(guī)劃軌跡，驅(qū)動機械臂;路徑規(guī)劃層可以根據(jù)用戶層設(shè)置的機械臂運動目標位置規(guī)劃運動軌跡;用戶層可以根據(jù)機器人模型規(guī)劃任務(wù)，明確機械臂運動的目標位置【2】。

2 機器人運動學(xué)分析

2.1機械臂正運動學(xué)

本文主要研究UR5機器人，這一機器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有6個，根據(jù)D-H參數(shù)法建立了該機器人的坐標系（如圖一所示）。在完成坐標系的建立后，需要根據(jù)相鄰坐標系之間的約束關(guān)系明確D-H參數(shù)（如表1所示）。根據(jù)參數(shù)并進行計算便可以得到機器人運動學(xué)正解。

2.2機械臂逆運動學(xué)

機械臂逆運動學(xué)可以實現(xiàn)機械臂位姿從工作空間到關(guān)節(jié)空間的映射，從本質(zhì)上來看機械臂逆運動學(xué)是在已知末端執(zhí)行器位置與姿態(tài)的條件下，對關(guān)節(jié)變量進行求解?？梢酝ㄟ^三角函數(shù)與關(guān)節(jié)角的角度求出六個關(guān)節(jié)變量。

3? 計算力矩控制器

可以通過牛頓歐拉方程分析機械臂，即τ = Dn （q）·u + Hn （q， q） + Gn （q）。其原理是在機械臂控制系統(tǒng)內(nèi)控制回路當(dāng)中增添非線性補償，加入非線性補償后將機械臂簡化為線性系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)計算力矩控制方法將PD控制引入到機械臂控制內(nèi)回路當(dāng)中，這樣控制系統(tǒng)就可以反饋位置信號，并通過一次微分獲得速度信號，但是兩次微分之間的偏差較大，所以需要進行優(yōu)化?？梢酝ㄟ^OROCOS運動學(xué)與動力學(xué)庫進行機器人運動學(xué)與動力學(xué)模型的計算，增強計算結(jié)果的準確性。

4 仿真與結(jié)果分析

4.1機械臂運動規(guī)劃

需要通過ROS平臺當(dāng)中的MoveIt！這一模塊進行機械臂的運動規(guī)劃。在進行機械臂的運動規(guī)劃之前需要明確機械臂各個關(guān)節(jié)的初始位置以及目標位置的取值。之后需要利用RRTconnect規(guī)劃算法規(guī)劃UR5機械臂的軌跡，在規(guī)劃機械臂軌跡時需要獲取在關(guān)節(jié)空間中解算的關(guān)節(jié)角度插值，所以需要在笛卡爾空間當(dāng)中進行軌跡規(guī)劃【3】。在笛卡爾空間中進行軌跡規(guī)劃需要利用機器人逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)化其表示方式。而在ROS平臺當(dāng)中，可以利用數(shù)值迭代算法進行機械臂運動學(xué)的求解，并轉(zhuǎn)化工作空間。同時，利用RRTconnect算法獲得的軌跡也可以避開自身干涉與障礙物等碰撞狀態(tài)。

4.2運動控制

運動規(guī)劃在獲取機械臂軌跡信息之后會將信息傳輸給ROS平臺的底層關(guān)節(jié)控制器。底層關(guān)節(jié)控制器獲取信息之后會進行插值運算，使機械臂沿著預(yù)定的軌跡運動，而ROS可以通過gazebo_ros_control插件控制Gazebo當(dāng)中的機械臂模型，即通過軟件控制的方式控制機械臂模型。ROS平臺當(dāng)中的底層關(guān)節(jié)控制器屬于插件，所以更換控制器具有較強的靈活性。

4.3實驗結(jié)果分析

在對UR5機器人的運動進行控制時，可以通過joint_states節(jié)點監(jiān)測機械臂運動時各個關(guān)節(jié)的位置以及速度等各方面信息，并將這些信息保存到文本當(dāng)中，利用MATLAB分析這些信息，從而明確UR5機械臂各個關(guān)節(jié)的運動關(guān)系。UR5機械臂在進行運動規(guī)劃時理論關(guān)節(jié)角與不同控制器影響下的實際關(guān)節(jié)角，這兩種控制器都可以控制機械臂按照預(yù)定的軌跡運動，可有效增強軟件控制的效果，但是都存在相應(yīng)的誤差。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，相比于PID控制器，CTC控制器的控制效果更好一些，誤差也更小。

結(jié)語：

總而言之，應(yīng)該加大對機器人操作系統(tǒng)、機器人運動學(xué)等各個方面的研究力度，從而實現(xiàn)基于ROS平臺的機械臂精確控制。

參考文獻：

[1]王好， 范平清， 王巖松，等. 基于ROS平臺的機械臂精確控制研究[J]. 輕工機械， 2018（02）：018-022.

[2]劉亞秋， 陶然， 丁峰，等. 基于ROS和EtherCAT的視覺伺服7DOF機械臂仿真研究[J]. 黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報， 2018， 35（1）： 94-101.

[3]張松偉， 馮常. 基于ROS的四軸機械臂運動仿真與控制的研究[J]. 電子設(shè)計工程， 2018， 026（010）：124-128.

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