[發明專利]一種基于ROS系統的機械臂建模及運動規劃實現方法

有效

• 申請號: 201710056239.4
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106846468B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 張光肖
• 申請（專利權）人: 南京阿凡達機器人科技有限公司
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;B25J9/16
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;劉輝

本發明提出一種基于ROS系統的機械臂建模及運動規劃實現方法，主要包括以下步驟：1.機械臂各個零部件三維模型的繪制；2.機械臂各個零部件三維模型的坐標系的創建和保存；3.編寫基于XML的機械臂描述文件；4.基于ROS系統的機械臂運動規劃解算；5.系統通信及機械臂運動控制實現。本發明的方法可以快速建立機械臂的運動學模型和動力學模型，結合ROS系統的MoveIt模塊調用相應的運動規劃庫實現機器人的運動規劃，最后將運動規劃解算的結果發送至機械臂的運動控制模塊，從而實現機械臂的定位、抓取、空間跟隨等動作。本發明的方法可以在ROS系統下對機械臂的運動規劃進行快速開發和驗證，既可以用于科研中的算法驗證，也可以用于實際生產中的機械臂控制。

技術領域

本發明屬于機械臂控制和運動規劃領域，特別是一種基于ROS系統的機械臂快速建模及運動規劃實現方法。

背景技術

隨著機器人技術的發展，無論是工業機器人還是服務型機器人都在各個領域得到了廣泛的利用，同時也引起了持續的機器人研究熱潮。其中機器人操作系統在機器人大發展中起到至關重要的作用。所謂機器人操作系統實質上是為機器人標準化設計而構造的軟件平臺，它使得每一位機器人設計師都可以使用同樣的平臺來進行機器人軟件開發。一般來說機器人操作系統主要包括硬件抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息以及數據包管理等功能。目前比較常見的機器人操作系統有安卓（Android）系統、Linux（Ubuntu、Debian等）系統、ROS系統、以及一些嵌入式的操作系統（如uCOSIII等）。其中ROS系統具有以下幾個特點：

1.分布式計算。

2.程序復用。

3.快速的調試和測試。

這些特點都是快速開發機器人所需要的，因此ROS系統的用戶在最近一直呈上升趨勢。而如何在ROS系統中準確地建立機器人模型并實現相關的運動控制也成為研究的熱點。目前，在ROS中建立機器人模型主要方法如下：

1.采用ROS系統提供的urdf描述句柄創建機器人模型。

2.采用編寫的免費的sw2urdf插件，將Solidworks文件轉換成urdf機器人模型。

其中第一種方法由于其提供的描述句柄有較多的限制，僅僅可以繪制矩形、圓柱等較為規則的三維模型，對相對簡單的機器人系統進行建模尚可，如果機械臂模型復雜，零件又包含各種曲面，這種方法則比較困難，甚至會造成模型失真；第二種方法利用專用的插件將機器人模型進行導出，但是僅僅限制在Solidworks繪圖環境中，而且該插件由于是個人編寫，缺少維護和驗證，在各個版本的Solidworks中兼容性并不好。

在此基礎上ROS系統的建模開放了對STL文件和DAE文件的建模支持，本發明就是在此基礎上提出了一種基于STL文件模型的坐標系創建規則及方法和描述文件編寫框架，在此基礎上就可以快速的對機械臂進行建模，結合后面提出的運動規劃配制方法可以快速準確地實現機械臂的運動規劃和控制。

在機械臂運動規劃領域有很多成熟的算法，總體來說分為關節空間規劃方法、笛卡爾空間規劃方法、樣條函數軌跡規劃等。其中關節空間規劃方法又分為三次多項式軌跡規劃、五次多項式軌跡規劃、拋物線過渡插值規劃等；笛卡爾空間規劃方法則包含直線軌跡規劃、圓弧軌跡規劃等。如此多樣的軌跡規劃算法在機械臂控制系統中快速配置和效果驗證往往比較復雜，本發明在此基礎上根據ROS系統支持的MoveIt插件提出了一種快速配置的方法，結合本發明提出的機械臂快速建模方法可以快速實現在機械臂上對各種算法進行配置和驗證。

發明內容