基于ROS系統(tǒng)的機械臂研究

黃均安

(安徽水利水電職業(yè)技術學院 安徽合肥 231603)

1 國內外機器人運動控制發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，一些發(fā)達國家很早就展開了針對機器人運動控制的相關技術研究，美國繼NGC（The Next Generation Work-Station/Machine Control）研究計劃之后，OMAC（Organization for Machine Automation and Control）安排組織了獨立的研發(fā)計劃，開發(fā)模塊化的控制系統(tǒng)，從而降低了機器人控制系統(tǒng)的研發(fā)費用和維護費用；在歐洲，由德國和法國發(fā)起的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation）計劃研究分層系統(tǒng)平臺的體系結構，旨在擴大控制系統(tǒng)的開放性；日本的許多企業(yè)也聯(lián)合推行了OSEC 計劃（Open System Environment for Controller），目的是獲得結構靈活輕便的運動控制系統(tǒng)。

國內對于機械臂運動控制技術的研究滯后，發(fā)展時間短，仍然停留在控制算法和規(guī)劃策略上，與國外差距相當明顯，在某些特定領域依然依靠國外進口，對于開放式的控制系統(tǒng)研究仍在起步階段。雖然近10 年來出現(xiàn)了不少科技水平較高的公司（如新松、遨博），但是大多數(shù)公司還是采用PC 機作為上位機，單獨定制DSP芯片用于處理數(shù)據(jù)路線，或者直接使用FPGA進行開發(fā)的路線，低開放性，低擴展性，與國外同時期的控制系統(tǒng)相比，不具備足夠的競爭力。因此，研發(fā)適用于一個六軸機械臂的控制操作系統(tǒng)，需要考慮系統(tǒng)的開放性，也需要考慮其應用需求和控制需求。

2 手眼抓取的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

機械臂在智能化時代下面臨的重要問題就是對環(huán)境的不確定性和抓取的精度問題，這就需要發(fā)展智能傳感器來解決這些問題，通過對傳感器信息的處理可以提高機械臂對環(huán)境的認知和抓取的精度。

在手眼抓取系統(tǒng)中，功能越豐富的攝像頭可以為機械臂增加更多的環(huán)境信息，從而提高對物體的識別和定位。而更加精確的抓具可以提高抓取的成功率，常見的抓具有夾爪和吸盤等。常見的夾爪有Robotiq85，具有高夾力、高載荷和高精度特點，被廣泛應用于實際生產中。扁平吸盤PFYN是常見吸盤之一，具有小尺寸高吸力、極短的節(jié)拍時間等優(yōu)點，在機械臂抓取物體中有重要應用，具體如圖1所示。

圖1 抓具的發(fā)展現(xiàn)狀

3 機械臂操作系統(tǒng)的設計

ROS 是一個獨特的開放性框架，專用于開發(fā)機器人相關的軟件，它集成了常用的插件、庫、協(xié)議和接口，擁有嵌入式操作系統(tǒng)類似的功能，包括在硬件上形成抽象層、底層驅動的單獨管理、不同程序間的通信[1]、程序功能包的管理，將之前傳統(tǒng)機器人開發(fā)平臺的復雜任務進行簡化創(chuàng)建和相關管理。

ROS 使機器人開發(fā)人員從事更深入的工作，而不用去考慮已有功能模塊的實現(xiàn)，節(jié)省了大量的時間，提高了代碼復用率。ROS的另一個鮮明的特點是分布式架構，不同的模塊可以單獨設計，在運行時分層次耦合[2]，最后開發(fā)人員可以將模塊文件打包形成功能包用于共享。代碼庫的不斷擴大也促進了ROS 的推廣，庫的開源使開發(fā)人員可以使用已有的庫，更加快速地促進機器人領域，特別是人工智能應用與機器人領域的發(fā)展[3]。

4 ROS系統(tǒng)的特點

4.1 點對點的設計

在ROS 中，節(jié)點是每個進程的表現(xiàn)形式，每個主機可以使用不同的節(jié)點，管理節(jié)點間的消息通信方式和內容的是含有發(fā)布和訂閱功能的RPC 傳輸系統(tǒng)，使用節(jié)點的設計方式使特定功能特別是定位或規(guī)劃等算法帶來的計算壓力大大減小。

4.2 高集成，架構精簡

在傳統(tǒng)的機器人應用中，需要解決的關鍵問題就是軟件的復用性。傳統(tǒng)的驅動程序、應用算法、功能模塊設計混亂，相互關聯(lián)，移植和二次開發(fā)的難度代價和成本過高；而ROS使用了模塊化設計，每個功能節(jié)點都獨立進行編譯，與其他節(jié)點并無直接關系，只要在運行時包含相關的節(jié)點即可。為了方便開發(fā)人員后續(xù)的移植和開發(fā)，ROS將不同功能模塊形成了功能包，這樣就可以在開源社區(qū)進行分享。

4.3 豐富的工具包

傳統(tǒng)機器人開發(fā)中，往往沒有良好的界面系統(tǒng)和仿真軟件，ROS 開發(fā)了組件化的插件，如3D 可視化工具Rviz，開發(fā)者可以通過調用插件來測試機器人3D模型、周圍環(huán)境、路徑顯示等功能。此外，ROS 還有消息查看工具、物體仿真環(huán)境gazebo等插件，使機器人開發(fā)變得直觀和高效。

5 實現(xiàn)載體

本文使用的仿真硬件有Universal Robots機械臂和Kinect 視覺傳感器，其中機械臂的型號為UR5，Kinect型號為Xbox360 V2 版本。在此基礎上設計了仿真框架，如圖2所示。

圖2 仿真框架

5.1 視覺傳感器Kinect

這里采用的是微軟公司的Kinect V2攝像機。Kinect V2是在Kinect V1上加入深度傳感器發(fā)展而來的攝像機，在識別自然環(huán)境領域被大量應用，如根據(jù)Kinect產生的深度傳感器和色彩傳感器對環(huán)境進行三維掃描并進行模型重建，利用Kinect 進行機器人導航進行障礙物自動回避等。Kinect利用光電編碼技術獲取環(huán)境信息[4]，通過深度傳感器和攝像傳感器的將獲得的信息進行融合，用于獲取環(huán)境的圖像信息和深度信息。Kinect攝像頭的詳細參數(shù)如表1所示。

表1 Kinect相關參數(shù)

5.2 機械臂UR5

UR5 機械臂可自動化處理5 kg 物體，開發(fā)人員可以手動規(guī)劃UR5機械臂移動路徑，之后UR5就會將移動路徑存儲在記憶單元，這種工作模式稱為編程教學模式，之后再次使用時將可以獨立工作。具體參數(shù)如表2所示。

表2 UR5機械臂相關參數(shù)

5.3 軟件架構

本文機械臂使用的開源機器人操作系統(tǒng)，在其基礎上添加自己的功能包達成機械臂控制系統(tǒng)。ROS設計架構是點對點的，程序運行時通過：節(jié)點（node）、消息（msg）、主題（topic）等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

5.3.1 運行機制

（1）節(jié)點。節(jié)點是類似于進程的特殊結構，用于執(zhí)行運算任務，一般來說，多個節(jié)點將組成開發(fā)人員所設計的系統(tǒng)。當多個節(jié)點運行時，可以通過消息、話題、服務來進行通信。Kinect 相機需要明確Kinect 相機的節(jié)點，并發(fā)布圖像和深度信息，具體實現(xiàn)代碼見圖3。

圖3 Kinect節(jié)點聲明

Kinect 節(jié)點接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過話題方式傳遞給其他相關的節(jié)點，用于環(huán)境數(shù)據(jù)的處理。具體情況如圖4所示。

圖4 節(jié)點相關通信

（2）消息?；诎l(fā)布/訂閱模型的消息（Message）通信是節(jié)點之間最重要的通信機制。消息是一個經(jīng)過嚴格定義的數(shù)據(jù)結構，支持標準數(shù)據(jù)類型，也支持數(shù)組和嵌套[5]，可以看作為C 語言中的結構體（struct）。如果開發(fā)人員有特殊的需求，可以自定義所需的消息類型。本文機械臂控制系統(tǒng)的環(huán)境信息由消息 sensor_msgs/Image 和sensor_msgs/LaserScan 等給出，對其進行解析就可以讀取環(huán)境的特征。

（3）話題。消息以一種發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）的方式傳遞。一個節(jié)點可以針對一個給定的話題（Topic）發(fā)布消息（稱為發(fā)布者），也可以通過訂閱某一個話題獲得特定類型的數(shù)據(jù)（稱為訂閱者），但發(fā)布者和訂閱者并不了解彼此的存在，ROS 中可能存在多個節(jié)點訂閱一個話題，或者發(fā)布同一個話題[6]。本文中Kinect數(shù)據(jù)傳輸形式如圖5所示。

圖5 Kinect數(shù)據(jù)傳輸形式

Kinect的話題與其他節(jié)點的關系圖6所示。

圖6 Kinect話題在節(jié)點間的傳輸圖

（4）服務。話題發(fā)布和訂閱模式的通信方式雖然很靈活，但是如果需要雙向同步傳輸，就需要更簡便的方式。在ROS 中有一種通信方式包含：一個數(shù)據(jù)類型用于請求服務，另一個數(shù)據(jù)類型用于應答服務，這種通信模式稱為服務，與Web服務器和PC機通信的工作流程相似。與話題不一樣的是，ROS 規(guī)定只有一個節(jié)點提供指定命名的服務。

為了管理以上的通信方式和任務進程，為了使節(jié)點有條理執(zhí)行，ROS引入了一個控制器，稱為ROS節(jié)點管理器（ROS Master），其通過遠程過程調用（RPC）提供了列表登記和查找其他計算圖表的功能[7]。一個節(jié)點想要找到其他的節(jié)點進行通信和調用服務就必須去ROS節(jié)點管理器進行登記，之后ROS節(jié)點管理器將進行統(tǒng)一調度。ROS Master與其他節(jié)點的關系如圖7所示。

圖7 ROS Master與節(jié)點間的關系圖

5.3.2 軟件框架

通過使用Kinect和UR5機械臂配合可以完成機械臂控制功能、環(huán)境觀測功能、物體識別功能，具體如圖8所示。

圖8 軟件框架圖

（1）機械臂控制功能。通過節(jié)點間的配合，將從MoveIt 路徑規(guī)劃器中的路徑數(shù)據(jù)（具體的線速度和角速度信息）發(fā)布給UR5機械臂進行執(zhí)行操作。

（2）環(huán)境觀測功能。通過Kinect 攝像頭將獲取到的圖像數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)以話題的方式發(fā)布出來，讓相應的節(jié)點獲取環(huán)境信息，對陌生環(huán)境進行掃描。

（3）物體識別功能。通過對環(huán)境信息中的數(shù)據(jù)進行解析，通過SIFT特征算子，尋找需要待抓取的物體，并通過TF變換轉化到世界坐標系中，獲得物體的坐標信息，傳遞給機械臂進行具體的操作。

6 結語

本文在機械臂控制系統(tǒng)的設計要求上對ROS 進行了系統(tǒng)地分析，闡述了ROS系統(tǒng)的代碼高復用性、高移植性、編程簡易性等特點。對系統(tǒng)的實現(xiàn)載體：UR5機械臂和Kinect 攝像頭進行了分析，確定了ROS 中的通信方式和數(shù)據(jù)，給定系統(tǒng)的軟件框架。通過在真實環(huán)境中驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標能夠滿足技術要求。