基于ROS機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析

曹洪鑫，張向慧，張忠海， 王紅偉， 王漪夢(mèng)

(1.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

機(jī)械臂從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)快要一個(gè)世紀(jì)，研究學(xué)者們對(duì)機(jī)械臂的熱情非但沒(méi)有減弱，反而越來(lái)越強(qiáng)烈。現(xiàn)如今，機(jī)械臂應(yīng)用的場(chǎng)合越來(lái)越廣泛，比如：航空航天、船舶工程、生物醫(yī)療、輕工業(yè)等。機(jī)械臂給人類生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利，甚至現(xiàn)在一些機(jī)械臂能出色的代替人完成任務(wù)。

ROS是一個(gè)針對(duì)機(jī)器人的開(kāi)源、元級(jí)操作系統(tǒng)。它提供了用戶在操作系統(tǒng)上所期望的服務(wù)，包括硬件抽象、低層設(shè)備控制、常用功能的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程之間的信息傳遞以及包管理。它還提供了在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上獲取、生成、編寫以及運(yùn)行代碼的工具和庫(kù)。國(guó)內(nèi)目前可以使用GitHub、ROS wiki進(jìn)行使用，同時(shí)gitee碼云平臺(tái)也包含了許許多多開(kāi)發(fā)者們的代碼分享。

ROS中的核心稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)通常為使用Python或C++編寫的小程序，用于執(zhí)行一些相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)或過(guò)程。節(jié)點(diǎn)可以相互獨(dú)立的啟動(dòng)和停止，并通過(guò)傳遞消息進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)可以在某些主題上發(fā)布消息或向其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。如控制執(zhí)行器、運(yùn)行導(dǎo)航算法、處理圖像、發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)等。節(jié)點(diǎn)可以定義一個(gè)或多個(gè)服務(wù)。當(dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，ROS服務(wù)會(huì)產(chǎn)生某個(gè)行為或發(fā)送應(yīng)答[1]，比如當(dāng)給定一個(gè)目標(biāo)位置和機(jī)器人的初始位姿時(shí)，返回一個(gè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的服務(wù)。

1 機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外都在為了充分發(fā)揮機(jī)器人機(jī)械臂的工作效率和工作能力而進(jìn)行研究，尤其是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也是各企業(yè)科技平臺(tái)的必爭(zhēng)之地，對(duì)于機(jī)器人機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不論是對(duì)個(gè)人還是企業(yè)來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)合產(chǎn)品，其中包含了比如機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、傳感器及其信號(hào)處理技術(shù)、線性與非線性系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、終端展示界面等知識(shí)，整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)就是一個(gè)小型的現(xiàn)代科技知識(shí)集合體，美國(guó)在這一方面走在了時(shí)代的前面，早在1920年就已經(jīng)有了完成重復(fù)的人類工作的機(jī)械臂產(chǎn)品[2]。

Demir[4]等人的機(jī)器人手臂。如圖1，機(jī)械臂控制系統(tǒng)中執(zhí)行人和機(jī)械臂是分開(kāi)進(jìn)行的，分別采用Kinect 技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)的對(duì)人的動(dòng)作進(jìn)行復(fù)制，控制機(jī)械臂完成人手的動(dòng)作，在研究中也通過(guò)空蕩的房屋等條件保證實(shí)時(shí)性體驗(yàn)、排除其他因素的干擾。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了多自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究，其中包括機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)、機(jī)械臂路徑規(guī)劃算法、運(yùn)動(dòng)邏輯控制問(wèn)題以及針對(duì)不同要求設(shè)計(jì)機(jī)械臂末端軌跡點(diǎn)的插值算法等。它所用的開(kāi)發(fā)工具是主要包括 STM32 控制板和搭載有機(jī)械臂控制系統(tǒng)的工控機(jī)等，搭載在工控機(jī)上的軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制可視化以及機(jī)械臂與工控機(jī)的通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定程度的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性下，該控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤機(jī)器人的軌跡。

圖1 Demir 中機(jī)械臂控制系統(tǒng)

現(xiàn)在，ROS已經(jīng)隨著時(shí)間的推移成為了一個(gè)不可或缺的機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)，各種各樣的機(jī)器人層出不窮，圖2是 PR 2 機(jī)器人在日常生活場(chǎng)景中的應(yīng)用，從中可以看出機(jī)器人已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品逐漸變?yōu)榱松畹膸褪?，能夠更好地服?wù)人類活動(dòng)[6]。

圖2 PR2 機(jī)器人完成各項(xiàng)任務(wù)

太空機(jī)器人 R2(Robonaut2)[7]也使用 ROS 作為控制平臺(tái)，它由 NASA 和通用汽車公司合作開(kāi)發(fā)，目的就是為了在太空中代替人類進(jìn)行空間作業(yè)。如圖3所示，目前，R2型機(jī)器人已經(jīng)在國(guó)際空間站進(jìn)行了許多年的試驗(yàn)研究，近年來(lái)將它的功能與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，與移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行整合，進(jìn)一步的拓展它在生產(chǎn)生活中的使用場(chǎng)景。針對(duì)于ROS 2的升級(jí)版本還在進(jìn)行開(kāi)發(fā)，隨著ROS的版本發(fā)展，ROS 2的發(fā)展也就可以預(yù)見(jiàn)了，這也說(shuō)明了 ROS 系統(tǒng)的控制能力和功能拓展的前景值得肯定。

圖3 太空機(jī)器人R2

當(dāng)今技術(shù)比較完善的是瑞士蘇黎世的Neuronics公司的Katana 機(jī)械臂和德國(guó)宇航中心的 LWR Ⅲ輕便型機(jī)械臂。

瑞士 Neuronics 公司最新發(fā)布的機(jī)械臂 Katana 1.2[6]。這是一個(gè)常規(guī)的六自由度機(jī)械臂，但是它的主板功能強(qiáng)大，提供了充足的外設(shè)接口，這些外設(shè)接口可以讓開(kāi)發(fā)者們充分發(fā)揮才智，針對(duì)不同的環(huán)境集成到不同的環(huán)境中去，也是因?yàn)檫@個(gè)強(qiáng)大的主板，兩個(gè)或者多個(gè)機(jī)械臂之間可以協(xié)作完成任務(wù)。主板采用了高端的PowerPC處理器，該處理器包含USB，CAN Open，Ethernet，串口以及一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 I/O 接口。主板具有自主開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)最優(yōu)的嵌入式 Linux 內(nèi)核，運(yùn)行ROS平臺(tái)毫無(wú)壓力，同時(shí)為了充分發(fā)揮它的功能，便于連接、可以進(jìn)行多方配置、標(biāo)準(zhǔn) API 可用性、斷網(wǎng)單機(jī)操作等方面都進(jìn)行了功能的添加。圖4展示了機(jī)械臂本體和基于ROS平臺(tái)的操作界面。

圖4 Katana 機(jī)械臂和抓持器

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)ROS的研究者與研究機(jī)構(gòu)也越來(lái)越多。文獻(xiàn)[8]使用ROS平臺(tái)進(jìn)一步探索應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)用戶需求，采用搭載了ROS的工控機(jī)將不同模塊的接口進(jìn)行統(tǒng)一化，解決了輪椅控制系統(tǒng)中的控制問(wèn)題，同時(shí)添加了語(yǔ)音導(dǎo)航，讓輪椅更加智能，更好地服務(wù)人類。文獻(xiàn)[9]則又在另一個(gè)場(chǎng)景也進(jìn)行了積極的探索，將ROS平臺(tái)帶上了最近熱火的無(wú)人機(jī)研究中，如圖5所示，配置了位置GPS以及位姿慣性導(dǎo)航傳感器，無(wú)人機(jī)上安裝有小型的工控機(jī)，自行編寫 ROS 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊以及控制，為了能夠在地面操控?zé)o人機(jī)，專門設(shè)置了地面站系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]將應(yīng)用場(chǎng)景瞄準(zhǔn)了移動(dòng)機(jī)器人，采用ROS平臺(tái)與移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，主要用途是采樣任務(wù)，本體是五自由度機(jī)械臂，將各個(gè)模塊進(jìn)行整合設(shè)計(jì)出了一整套完整可靠的控制系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)采樣功能。文獻(xiàn)[12]在學(xué)位課題中應(yīng)用ROS對(duì)碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，這個(gè)系統(tǒng)可以直觀的顯示在Gazebo中，能夠清晰的顯示仿真過(guò)程。

圖5 空中機(jī)器人平臺(tái)

同時(shí)文獻(xiàn)[13]基于ROS進(jìn)行打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，通過(guò)實(shí)體機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工控機(jī)上采用了Xenomai+Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)系統(tǒng)，將實(shí)體機(jī)械臂、工控機(jī)、打磨砂帶機(jī)進(jìn)行配合完成實(shí)驗(yàn)，其中機(jī)械臂末端為打磨工件，這個(gè)打磨工件可以根據(jù)路徑規(guī)劃的情況實(shí)現(xiàn)零件的打磨形狀的控制；控制系統(tǒng)底層搭建了 EtherCAT 總線協(xié)議的主從站系統(tǒng)，控制系統(tǒng)上層使用 ROS 控制器發(fā)布控制消息。

圖6 機(jī)械臂走曲線軌跡的仿真過(guò)程

圖7 實(shí)體機(jī)械臂曲線運(yùn)動(dòng)

在軟件層面，目前在國(guó)內(nèi)的各種資源網(wǎng)站上，已經(jīng)可以找到的是各個(gè)開(kāi)發(fā)者們基于機(jī)械臂進(jìn)行優(yōu)化所得到的各種軟件倉(cāng)庫(kù)，比如多自由度機(jī)械臂所需要的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算器庫(kù)(KDL，kinematics and dynamics library)，開(kāi)源路徑規(guī)劃算法庫(kù)(OMPL，the open motion planning library)，以及將上述兩個(gè)打包組合在一起并集合了倒入模型，設(shè)置模型為一體的方便開(kāi)發(fā)者集中調(diào)用的MoveIt工具軟件，最后就是對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行方針的Gazebo仿真軟件，其中MoveIt工具軟件的節(jié)點(diǎn)為ros_control，這樣可以更方便開(kāi)發(fā)者掌握基本的使用邏輯。在實(shí)際應(yīng)用中，典型的就是在UR5 機(jī)械臂[15]、aubo機(jī)械臂、國(guó)產(chǎn)自研機(jī)械臂、PR 2 等機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，基于ROS進(jìn)行多場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)。圖8就是五自由度移動(dòng)作業(yè)臂的開(kāi)發(fā)實(shí)例。

圖8 五自由度移動(dòng)作業(yè)臂

文獻(xiàn)[16]在移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)上搭建ROS，實(shí)現(xiàn)SLAM和導(dǎo)航功能，使用七自由度冗余機(jī)械臂與雙目立體視覺(jué)相機(jī)基于SURF算法檢測(cè)標(biāo)簽類型和數(shù)據(jù)，使用移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)門實(shí)驗(yàn)，并在Gazebo中進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的仿真模型演示，成功完成了對(duì)旋轉(zhuǎn)門和側(cè)拉門的打開(kāi)。演示結(jié)果如圖9所示。

圖9 機(jī)器人開(kāi)門實(shí)驗(yàn)步驟

2 機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

2.1 機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

Linux是一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)，但是基于Linux進(jìn)行機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研究就要首先考慮到實(shí)時(shí)性問(wèn)題，如何讓機(jī)械臂準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)的對(duì)工控機(jī)進(jìn)行響應(yīng)就至關(guān)重要，為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多實(shí)時(shí)操作平臺(tái)就產(chǎn)生了， Windows CE、RTLinux、RTAI、BlueCat、TimeSys Linux等，下面介紹一下其中兩種解決方案：

文獻(xiàn)[13]采用搭載打磨機(jī)械臂的EtherCAT總線主站、Xenomai+Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及ROS控制系統(tǒng)的工控機(jī)進(jìn)行上位機(jī)控制，EtherCAT總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在工業(yè)中使用較多，具備高實(shí)時(shí)性，高同步性等優(yōu)點(diǎn)，最快的傳輸速度可以達(dá)到100 Mbit/s，同步網(wǎng)段內(nèi)精度可以達(dá)到1 μs，同時(shí)采用CAN Open作為伺服控制協(xié)議，上位機(jī)基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用ROS控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，其構(gòu)建了使用Xenomai作為L(zhǎng)inux系統(tǒng)實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的方法來(lái)解決。大致原理如圖10所示。

圖10 Xenomai實(shí)時(shí)系統(tǒng)框架

其設(shè)計(jì)的打磨機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體框架顯示如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)總體框架

文獻(xiàn)[17]采用在Linux系統(tǒng)中加入RT補(bǔ)丁進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)系統(tǒng)搭建，其基本原理為使用RT補(bǔ)丁工具集將實(shí)時(shí)性任務(wù)設(shè)置為優(yōu)先性，經(jīng)過(guò)改造以后的實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)的最大延遲時(shí)間為436 μs，平均延遲時(shí)間為193 μs，Linux系統(tǒng)實(shí)施改造可以達(dá)到要求。其實(shí)時(shí)系統(tǒng)的組成圖如圖12所示。

圖12 機(jī)械臂控制系統(tǒng)示意圖

第一種方式是對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核[23-26]進(jìn)行改造的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)性任務(wù)的處理，第二種方式是對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)丁[21-22，27-28]的方式進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性任務(wù)處理，都是為了解決Linux系統(tǒng)是典型分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性解決方案，由于現(xiàn)在ROS平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越多，相應(yīng)更多的實(shí)時(shí)性解決方案涌現(xiàn)，2020年ROS 2版本發(fā)布，這一版本本身具有更加優(yōu)秀的實(shí)時(shí)性體驗(yàn)，期待著更多的軟件開(kāi)發(fā)者投身入開(kāi)發(fā)行列，不斷豐富ROS的實(shí)時(shí)性功能。

2.2 機(jī)械臂實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)途徑

2.2.1 機(jī)械臂移動(dòng)操作

現(xiàn)在基于ROS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)搭建過(guò)程中，普遍使用強(qiáng)大的集成運(yùn)動(dòng)功能包：即MoveIt，例如文獻(xiàn)[18]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作量大，可移植性差的缺點(diǎn)，以自制SCARA型機(jī)械臂開(kāi)發(fā)出機(jī)械臂控制系統(tǒng)，它使用MoveIt平臺(tái)將機(jī)械臂SolidWorks三維機(jī)械模型轉(zhuǎn)換成機(jī)器人描述格式URDF文件(unified robot description format)，以編程語(yǔ)言的形式抽象的將機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)和大小、運(yùn)動(dòng)模型、動(dòng)力模型、碰撞模型等進(jìn)行描述。

接著通過(guò)C++進(jìn)行具體的項(xiàng)目點(diǎn)的規(guī)劃，或者給定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，ROS就會(huì)基于隨機(jī)采樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法庫(kù)OMPL完成軌跡規(guī)劃等任務(wù)，同時(shí)由于建模的文件格式中采用了碰撞模型，所以規(guī)劃的軌跡會(huì)避開(kāi)障礙物和自身干涉等碰撞狀態(tài)。其基本交互邏輯如圖13所示。

圖13 MoveIt基本交互邏輯演示圖

MoveIt是一個(gè)機(jī)器人移動(dòng)操作相關(guān)的工具集軟件，集成了各種SOTA庫(kù)，包括：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、軌跡插值、機(jī)械臂操作、3D感知、運(yùn)動(dòng)學(xué)、碰撞檢測(cè)、控制、導(dǎo)航、交互等功能包，其核心節(jié)點(diǎn)為move_group，集成了各種組件，用于提供各種ROS動(dòng)作和服務(wù)供用戶使用。

MoveIt是現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的有力工具之一，現(xiàn)在的開(kāi)發(fā)者都在積極的使用此工具平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械臂的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，向上面提到的將已經(jīng)有的CAD三維模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成為URDF格式的文件，導(dǎo)入到MoveIt Setup Assistant中進(jìn)行模型的匹配，此工具可以標(biāo)定機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)、關(guān)節(jié)鏈接情況、關(guān)節(jié)大小、配合、運(yùn)動(dòng)約束、碰撞情況、限位等參數(shù)情況；完善運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，依托于ROS平臺(tái)進(jìn)行與其他模塊的通訊，服務(wù)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法

在MoveIt中通過(guò)插件機(jī)制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器插件進(jìn)行交互，可以使用多個(gè)庫(kù)的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，使得其擴(kuò)展性更強(qiáng)，其中默認(rèn)使用的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器是OMPL(open motion planning library)庫(kù)。它是一個(gè)基于采樣方法的開(kāi)源機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃庫(kù)(基于C++)，其中的算法大多是基于RRT和RPM衍生出來(lái)的，比如RRTStar、RRT-Connect等等。正是由于OMPL其模塊化的設(shè)計(jì)，前端GUI的支持、穩(wěn)定的更新，已經(jīng)成為目前最主流的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件(ROS默認(rèn)使用OMPL)。

文獻(xiàn)[15]基于ROS進(jìn)行移動(dòng)操作機(jī)械臂的底層規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)仿真介紹了兩種基于隨機(jī)采樣的路徑規(guī)劃算法：概率路標(biāo)法PRM和快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)法RRT；正是由于RRT算法在高維空間路徑搜索方面具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以其采用了FCL碰撞檢測(cè)庫(kù)作為RRT算法碰撞檢測(cè)的工具，對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，用以提高這個(gè)算法的搜索效率，下面是其應(yīng)用OMPL運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法所進(jìn)行的動(dòng)態(tài)障礙物軌跡規(guī)劃仿真圖，從圖14中可以看出使用OMPL運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法庫(kù)在機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃中可以極大的簡(jiǎn)化規(guī)劃過(guò)程，更高效的解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。同時(shí)由于可以應(yīng)用C++外接程序進(jìn)行具體任務(wù)的設(shè)置，所以極大的提高了項(xiàng)目靈活度和可實(shí)施性。

圖14 臂動(dòng)態(tài)避障仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)┒诉\(yùn)動(dòng)軌跡

文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了基于Linux的SCARA型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，在他的研究中使用OMPL運(yùn)動(dòng)規(guī)劃庫(kù)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的軌跡規(guī)劃，通過(guò)刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行軌跡點(diǎn)的設(shè)計(jì)，把刀具補(bǔ)償算法規(guī)劃出來(lái)的點(diǎn)下發(fā)給ROS，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃庫(kù)進(jìn)行行進(jìn)。軌跡點(diǎn)如圖15所示。

圖15 SCARA型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

同時(shí)在各個(gè)平臺(tái)上都有研究機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的人，比如文獻(xiàn)[20]通過(guò)對(duì)工業(yè)六自由度機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃研究，著重介紹了NURBS用于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，并將NURBS與改進(jìn)遺傳算法相結(jié)合得到一條可以減弱運(yùn)動(dòng)中沖擊的軌跡點(diǎn)，文獻(xiàn)中分析了三次樣條插值、五次樣條插值等各種軌跡規(guī)劃算法的核心技術(shù)點(diǎn)，更能方便理解和掌握OMPL運(yùn)動(dòng)規(guī)劃庫(kù)中算法的原理與優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 機(jī)械臂仿真演示

Gazebo是Linux系統(tǒng)下的一款機(jī)器人仿真器，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中有效的模擬單個(gè)機(jī)器人或者機(jī)器人群以及一些場(chǎng)景設(shè)置，它提供高保真度的物理模擬和一整套的傳感器模型，并且是和ROS平臺(tái)一起使用的，更方便的讓我們能夠通過(guò)ROS平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)演示仿真分析，比如文獻(xiàn)[15]的移動(dòng)機(jī)械臂底層規(guī)劃、文獻(xiàn)[13]的打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[19]的基于Linux的SCARA型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、文獻(xiàn)[18]的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都采用了Gazebo進(jìn)行模型的仿真演示，從不斷的調(diào)整中修改參數(shù)和模型算法，在仿真器中不斷的模擬，成功后進(jìn)行實(shí)體的驗(yàn)證步驟。圖16展示了文獻(xiàn)[18]Gazebo仿真演示圖。

圖16 Gazebo中機(jī)械臂軌跡規(guī)劃展示

2.2.4 人機(jī)交互控制界面

Rviz是一款三維可視化平臺(tái)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部信息的圖形化顯示，另一方面則是可以通過(guò)Rviz給對(duì)象發(fā)布控制信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)與控制。

Rviz主要的目的就是以三維方式顯示ROS消息，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，例如在文獻(xiàn)中會(huì)有機(jī)器人模型和坐標(biāo)系直觀的顯示在Rviz中，如圖17所示。

圖17 機(jī)器人模型和坐標(biāo)系在Rviz中顯示

同時(shí)可以進(jìn)行編程顯示出界面進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)的信息采集和分析：比如文獻(xiàn)中出現(xiàn)的采用GUI界面進(jìn)行數(shù)據(jù)流的界面查看如圖18所示。

圖18 GUI控制界面和數(shù)據(jù)流查看界面

還有許多用來(lái)初步顯示實(shí)驗(yàn)中各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩、位置等參數(shù)的控制界面可以在Rviz中實(shí)施監(jiān)控，這樣可以在項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)中更有說(shuō)服力，同時(shí)一旦出現(xiàn)了問(wèn)題，也更容易找到問(wèn)題所在。

3 基于ROS的機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 當(dāng)前存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)國(guó)外基于ROS進(jìn)行開(kāi)發(fā)的機(jī)器人機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)正在如火如荼地向前發(fā)展，而且基于ROS進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)也顯現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，為了充分發(fā)揮當(dāng)前計(jì)算機(jī)和傳感器等硬件的優(yōu)勢(shì)，使用ROS開(kāi)發(fā)機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越多。從國(guó)內(nèi)外發(fā)展來(lái)看，國(guó)外發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)正迎頭趕上，正是由于這種積極的開(kāi)發(fā)氛圍，貢獻(xiàn)了多種實(shí)時(shí)系統(tǒng)的解決方案，極大地促進(jìn)了控制系統(tǒng)的研究。盡管國(guó)內(nèi)外專家取得了很大的進(jìn)步，但是仍然存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不足：

經(jīng)過(guò)調(diào)研，已有的研究中大多集中在通過(guò)離線或者可控智能穿戴設(shè)備[29-38]的方式控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，需要具備更好響應(yīng)能力的硬件或者是修改ROS版本的底層架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題；

2)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)精度不足：

實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂工作過(guò)程中，由于一些內(nèi)部傳感器等問(wèn)題還是會(huì)造成震動(dòng)、誤差等的問(wèn)題，如何保證高精度的柔順系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制還是當(dāng)前的主要技術(shù)要點(diǎn)之一;

3)ROS控制系統(tǒng)更新迭代過(guò)快，后續(xù)維護(hù)不足：

針對(duì)不同版本的ROS平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是亟待解決的問(wèn)題，不同版本上位機(jī)的控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合下位機(jī)無(wú)法完整的形成一個(gè)有效的實(shí)時(shí)控制器。隨著最新的ROS neodic版本的發(fā)布，ROS 2的實(shí)時(shí)性任務(wù)處理功能更強(qiáng)，需要更多人員和資源跟進(jìn)；

4)Linux控制系統(tǒng)個(gè)性化明顯，規(guī)范性不足：

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃、末端軌跡規(guī)劃以及避障算法等是研究中亟待解決的問(wèn)題，所以我們需要使用Linux下的Gazebo、MoveIt、RViz等工具進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃與仿真模型的問(wèn)題解決，需要更加注重標(biāo)準(zhǔn)化；

5)缺乏創(chuàng)新意識(shí)，拓展性不足：

隨著傳感器種類越來(lái)越豐富，對(duì)于機(jī)械臂的控制要求越來(lái)越高，我們不可避免的就是針對(duì)于傳感器的優(yōu)化問(wèn)題，不能固步自封，要不斷的結(jié)合新型傳感器發(fā)覺(jué)市場(chǎng)和學(xué)術(shù)研究方向，不斷探索；同時(shí)也要設(shè)法將ROS的控制系統(tǒng)結(jié)合到更加具有前景的行業(yè)中。

3.2 研究發(fā)展趨勢(shì)

基于ROS機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)符合工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求，基于其自身技術(shù)與市場(chǎng)要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及重點(diǎn)技術(shù)的研究情況，可以將ROS下機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)概括如下。

1)工業(yè)自動(dòng)化和智能化：

隨著我國(guó)工業(yè)設(shè)備越來(lái)越偏向于高精尖方向發(fā)展，對(duì)于工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化需求就會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈，依托 ROS平臺(tái)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上可以在工業(yè)設(shè)備更新迭代過(guò)程中提供更加優(yōu)秀的機(jī)器人解決方案，極大地提高實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的效率。

2)功能復(fù)合化，標(biāo)準(zhǔn)化：

正是由于ROS系統(tǒng)本身的優(yōu)勢(shì)，所以可以結(jié)合各種傳感系統(tǒng)，針對(duì)每一種傳感系統(tǒng)采用不同的程序算法提取數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)性控制，隨著新型傳感器的發(fā)展，ROS也會(huì)與時(shí)俱進(jìn)，不斷的通過(guò)新型傳感系統(tǒng)豐富自身，在不斷積累與實(shí)際使用中拓展發(fā)展空間，提高實(shí)時(shí)性和精度，同時(shí)針對(duì)已經(jīng)研究透徹的功能包，勢(shì)必會(huì)選擇眾多解決方案中的最優(yōu)解，形成標(biāo)準(zhǔn)化的軟件功能包。

3)強(qiáng)適應(yīng)性，支持復(fù)雜工況場(chǎng)景：

機(jī)械臂的終端具有多樣性，基于ROS的機(jī)械臂控制系統(tǒng)具有避障、路徑規(guī)劃等功能，針對(duì)復(fù)雜的工況可以根據(jù)產(chǎn)線要求采用不同的終端來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的可移植性，可以應(yīng)用到援救、醫(yī)療等行業(yè)，適應(yīng)更加豐富的工作場(chǎng)景，有利于設(shè)備的充分利用以及降低成本。

4)軟硬件結(jié)合，齊頭并進(jìn)：

目前機(jī)械臂受限于成本，使用場(chǎng)景等原因，多采用位置控制器，隨著力位一體式機(jī)械臂的發(fā)展，為了提高穩(wěn)定性和精度，必然開(kāi)發(fā)硬件的更多功能，高效的完成以后的工業(yè)任務(wù)，讓機(jī)械臂更加像人手一樣工作。

5)技術(shù)交叉融合：

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的支持，基于ROS的機(jī)械臂控制系統(tǒng)可以借助高新技術(shù)充實(shí)自己，打破傳統(tǒng)行業(yè)的限制，探索更多的可能性，更好的服務(wù)人類。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要涉及到的發(fā)展方向就是控制器的開(kāi)發(fā)優(yōu)化以及應(yīng)用已有控制器進(jìn)行軌跡優(yōu)化算法與應(yīng)急避障處理。前者需要進(jìn)行控制器的整體構(gòu)建以及開(kāi)發(fā)，而后者是基于已有控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，使用外接傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，針對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行反饋，針對(duì)反饋進(jìn)行調(diào)整，這樣實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。

基于ROS進(jìn)行機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研究是更加方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行機(jī)械臂控制的新方式新方法，依托于ROS所獨(dú)有的節(jié)點(diǎn)編程原理，簡(jiǎn)化了以后進(jìn)行多個(gè)傳感器的信息的融合等工作，便于機(jī)械臂進(jìn)行精準(zhǔn)、快速的操作，同時(shí)由于系統(tǒng)的開(kāi)源，可以借鑒廣大系統(tǒng)維護(hù)者以及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)，將機(jī)械臂用于更加人性化、個(gè)性化的應(yīng)用場(chǎng)景。作為一個(gè)ROS的學(xué)習(xí)者和使用者，就要在實(shí)踐研究中不斷的豐富這個(gè)平臺(tái)，讓它更好的為工作生活服務(wù)。