基于ROS系统的机械臂研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION基于ROS系统的机械臂研究黄均安(安徽水利水电职业技术学院 安徽合肥 231603)摘要：该文对ROS系统进行了系统的分析，阐述了ROS系统的代码高复用性、高移植性、编程简易性等特点，设计了一种基于ROS系统的机器人臂系统。该系统利用Kinect视觉传感器和UR5机械臂的配合，在开源机器人操作系统的基础上添加设计功能包，确定了ROS中的通信方式和数据，给定系统的软件框架，构建成机械臂控制系统。系统通过节点、消息、主题等来实现数据通信，完成机械臂的控制功能和对物体的识别功能。在真实环境中验证，系统运行稳定可靠，各项性能指标能够满足技术要求。关键词：Kinect UR5机械臂 节点 消息 主题中图分类号：TP241.2文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)20-0017-05Research on Robot Arms Based on the ROS SystemHUANG Junan(Anhui Water Conservancy Technical College,Hefei,Anhui Province,231603 China)Abstract:This article provides a systematic analysis of the ROS system,and expounds the high reusability,high portability,programming simplicity and other characteristics of its codes,and designs a robot arm system based on the ROS system.The system uses the cooperation of the Kinect vision sensor and the UR5 robot arm,adds design function packs on the basis of the open-source robot operating system,determines the communication mode and data in ROS,gives the software framework of the system and constructs the robot arm control system.The system achieves data communication through nodes,messages,topics,etc.,and completes the control function and the recognition function of objects of the robot arm.In the real environment,it is verified that the system runs stably and reliably,and that all performance indicators can meet technical requirements.Key Words:Kinect;UR5 robot arm;Node;Message;Topic1 国内外机器人运动控制发展现状在国外，一些发达国家很早就展开了针对机器人运动控制的相关技术研究，美国继NGC（The Next Generation Work-Station/Machine Control）研究计划之后，OMAC（Organization for Machine Automation and Control）安排组织了独立的研发计划，开发模块化的控制系统，从而降低了机器人控制系统的研发费用和维护费用；在欧洲，由德国和法国发起的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation）计划研究分层系统平台的体系结构，旨在扩大控制系统的开放性；日本的许多企业也联合推行了 OSEC 计划（Open System Environment for Controller），目的是获得结构灵活轻便的运动控制系统。国内对于机械臂运动控制技术的研究滞后，发展时间短，仍然停留在控制算法和规划策略上，与国外差距相当明显，在某些特定领域依然依靠国外进口，对于开放式的控制系统研究仍在起步阶段。虽然近10年来出现了不少科技水平较高的公司（如新松、遨博），但是大多数公司还是采用PC机作为上位机，单独定制DSP芯片用于处理数据路线，或者直接使用FPGA进行DOI：10.16661/ki.1672-3791.2304-5042-4719基金项目：安徽省高校自然研究基金重点项目（项目编号：KJ2020A1042）；安徽省高校优秀青年人才重点支持项目（项目编号：gxyqZD2020070）。作者简介：黄均安（1981），男，硕士，副教授，主要从事工业机器人和生产过程自动化方面的教学与研究。17SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯开发的路线，低开放性，低扩展性，与国外同时期的控制系统相比，不具备足够的竞争力。因此，研发适用于一个六轴机械臂的控制操作系统，需要考虑系统的开放性，也需要考虑其应用需求和控制需求。2 手眼抓取的现状和发展趋势机械臂在智能化时代下面临的重要问题就是对环境的不确定性和抓取的精度问题，这就需要发展智能传感器来解决这些问题，通过对传感器信息的处理可以提高机械臂对环境的认知和抓取的精度。在手眼抓取系统中，功能越丰富的摄像头可以为机械臂增加更多的环境信息，从而提高对物体的识别和定位。而更加精确的抓具可以提高抓取的成功率，常见的抓具有夹爪和吸盘等。常见的夹爪有Robotiq85，具有高夹力、高载荷和高精度特点，被广泛应用于实际生产中。扁平吸盘PFYN是常见吸盘之一，具有小尺寸高吸力、极短的节拍时间等优点，在机械臂抓取物体中有重要应用，具体如图1所示。3 机械臂操作系统的设计ROS是一个独特的开放性框架，专用于开发机器人相关的软件，它集成了常用的插件、库、协议和接口，拥有嵌入式操作系统类似的功能，包括在硬件上形成抽象层、底层驱动的单独管理、不同程序间的通信1、程序功能包的管理，将之前传统机器人开发平台的复杂任务进行简化创建和相关管理。ROS使机器人开发人员从事更深入的工作，而不用去考虑已有功能模块的实现，节省了大量的时间，提高了代码复用率。ROS的另一个鲜明的特点是分布式架构，不同的模块可以单独设计，在运行时分层次耦合2，最后开发人员可以将模块文件打包形成功能包用于共享。代码库的不断扩大也促进了ROS的推广，库的开源使开发人员可以使用已有的库，更加快速地促进机器人领域，特别是人工智能应用与机器人领域的发展3。4 ROS系统的特点4.1 点对点的设计在ROS中，节点是每个进程的表现形式，每个主机可以使用不同的节点，管理节点间的消息通信方式和内容的是含有发布和订阅功能的RPC传输系统，使用节点的设计方式使特定功能特别是定位或规划等算法带来的计算压力大大减小。4.2 高集成，架构精简在传统的机器人应用中，需要解决的关键问题就是软件的复用性。传统的驱动程序、应用算法、功能模块设计混乱，相互关联，移植和二次开发的难度代价和成本过高；而ROS使用了模块化设计，每个功能节点都独立进行编译，与其他节点并无直接关系，只要在运行时包含相关的节点即可。为了方便开发人员后续的移植和开发，ROS将不同功能模块形成了功能包，这样就可以在开源社区进行分享。4.3 丰富的工具包传统机器人开发中，往往没有良好的界面系统和仿真软件，ROS开发了组件化的插件，如3D可视化工具Rviz，开发者可以通过调用插件来测试机器人3D模型、周围环境、路径显示等功能。此外，ROS还有消息查看工具、物体仿真环境gazebo等插件，使机器人开发变得直观和高效。5 实现载体本文使用的仿真硬件有Universal Robots机械臂和Kinect视觉传感器，其中机械臂的型号为UR5，Kinect型号为Xbox360 V2版本。在此基础上设计了仿真框（a）Robotiq85夹爪（b）PFYN扁平吸盘图1 抓具的发展现状18SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION架，如图2所示。5.1 视觉传感器Kinect这里采用的是微软公司的Kinect V2摄像机。Kinect V2是在Kinect V1上加入深度传感器发展而来的摄像机，在识别自然环境领域被大量应用，如根据Kinect产生的深度传感器和色彩传感器对环境进行三维扫描并进行模型重建，利用Kinect进行机器人导航进行障碍物自动回避等。Kinect利用光电编码技术获取环境信息4，通过深度传感器和摄像传感器的将获得的信息进行融合，用于获取环境的图像信息和深度信息。Kinect摄像头的详细参数如表1所示。5.2 机械臂UR5UR5机械臂可自动化处理5 kg物体，开发人员可以手动规划UR5机械臂移动路径，之后UR5就会将移动路径存储在记忆单元，这种工作模式称为编程教学模式，之后再次使用时将可以独立工作。具体参数如表2所示。5.3 软件架构本文机械臂使用的开源机器人操作系统，在其基础上添加自己的功能包达成机械臂控制系统。ROS设计架构是点对点的，程序运行时通过：节点（node）、消息（msg）、主题（topic）等来实现数据通信。5.3.1 运行机制（1）节点。节点是类似于进程的特殊结构，用于执 Kinect 环境感知 系统控制 ROS Master 运动执行 UR5 机械臂 信息获取 控制信号 数据反馈 图2 仿真框架图3 Kinect节点声明表1 Kinect相关参数指标名称传感器深度范围机身转动范围参数1.23.5 m27指标名称水平视角垂直视角参数5347表2 UR5机械臂相关参数指标名称重复精度温度范围有效载荷自由度功率消耗工作范围参数0.000 1 m050 5 kg6个旋转关节90 W0.850 m指标名称底座范围肩膊范围手肘范围手腕1范围手腕2范围手腕3范围参数36036036036036036019SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯行运算任务，一般来说，多个节点将组成开发人员所设计的系统。当多个节点运行时，可以通过消息、话题、服务来进行通信。Kinect相机需要明确Kinect相机的节点，并发布图像和深度信息，具体实现代码见图3。Kinect节点接收到环境数据后，通过话题方式传递给其他相关的节点，用于环境数据的处理。具体情况如图4所示。（2）消息。基于发布/订阅模型的消息（Message）通信是节点之间最重要的通信机制。消息是一个经过严格定义的数据结构，支持标准数据类型，也支持数组和嵌套5，可以看作为C语言中的结构体（struct）。如果开发人员有特殊的需求，可以自定义所需的消息类型。本文机械臂控制系统的环境信息由消息 sensor_msgs/Image 和 sensor_msgs/LaserScan 等给出，对其进行解析就可以读取环境的特征。（3）话题。消息以一种发布/订阅（Publish/Subscribe）的方式传递。一个节点可以针对一个给定的话题（Topic）发布消息（称为发布者），也可以通过订阅某一个话题获得特定类型的数据（称为订阅者），但发布者和订阅者并不了解彼此的存在，ROS中可能存在多个节点订阅一个话题，或者发布同一个话题6。本文中Kinect数据传输形式如图5所示。Kinect的话题与其他节点的关系图6所示。（4）服务。话题发布和订阅模式的通信方式虽然很灵活，但是如果需要双向同步传输，就需要更简便的方式。在ROS中有一种通信方式包含：一个数据类型用于请求服务，另一个数据类型用于应答服务，这种通信模式称为服务，与Web服务器和PC机通信的工作流程相似。与话题不一样的是，ROS规定只有一个节点提供指定命名的服务。为了管理以上的通信方式和任务进程，为了使节点有条理执行，ROS引入了一个控制器，称为ROS节点管理器（ROS Master），其通过远程过程调用（RPC）提供了列表登记和查找其他计算图表的功能7。一个节点图4 节点相关通信图5 Kinect数据传输形式图6 Kinect话题在节点间的传输图20SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION想要找到其他的节点进行通信和调用服务就必须去ROS节点管理器进行登记，之后ROS节点管理器将进行统一调度。ROS Master与其他节点的关系如图7所示。5.3.2 软件框架通过使用Kinect和UR5机械臂配合可以完成机械臂控制功能、环境观测功能、物体识别功能，具体如图8所示。（1）机械臂控制功能。通过节点间的配合，将从MoveIt路径规划器中的路径数据（具体的线速度和角速度信息）发布给UR5机械臂进行执行操作。（2）环境观测功能。通过Kinect摄像头将获取到的图像数据和深度数据以话题的方式发布出来，让相应的节点获取环境信息，对陌生环境进行扫描。（3）物体识别功能。通过对环境信息中的数据进行解析，通过SIFT特征算子，寻找需要待抓取的物体，并通过TF变换转化到世界坐标系中，获得物体的坐标信息，传递给机械臂进行具体的操作。6 结语本文在机械臂控制系统的设计要求上对ROS进行了系统地分析，阐述了ROS系统的代码高复用性、高移植性、编程简易性等特点。对系统的实现载体：UR5机械臂和Kinect摄像头进行了分析，确定了ROS中的通信方式和数据，给定系统的软件框架。通过在真实环境中验证，系统运行稳定可靠，各项性能指标能够满足技术要求。参考文献1 罗凯.智能网联电动汽车队列的经济性巡航分布式控制研究D.南京:东南大学,2020.2 范中磊.面向无人电铲的轨迹规划与自主挖掘系统设计D.大连:大连理工大学,2020.3 孙浩洋,曹彦,卞科琪,等.基于九点标定机械臂抓取的设计及应用J.现代工业经济和信息化,2023,13(1):107-109,144.4 贝前程.基于视觉的室内复杂环境下移动机器人SLAM研究D.济南:齐鲁工业大学,2020.5 邢运隆,李论.一种基于指数积的机械臂结构参数标定方法J.制造业自动化,2023,45(2):12-16,29.6 綦慧,周宇,张辰.基于ROS和CAN协议的机械臂实时通信机制的设计与实现J.工业控制计算机,2021,34(8):42-44,47.7 李冰鉴,边境.针对ROS服务通信机制的软件定义改进J.计算机技术与发展,2022,32(8):89-95.图7 ROS Master与节点间的关系图图8 软件框架图21