ros机器人（在ROS环境下）

在ROS环境下，如何驱动真实的机器人？

​最近在公司做机器人这方面业务，这里收集了下资料：在ROS环境下，怎么使用moveit!来驱动真实的六轴机械臂？

很多小伙伴在使用ROS的时候，都会产生类似的疑问，程序写过那么多，仿真也跑过不少，但是如何控制真实机械臂/机器人呢？

今天就来尝试破个题。

首先，解决这个问题的关键词是“接口”。所谓接口，即数据传输的通道，如何将ROS功能包计算得到的数据发给真实机器人并使之运动是问题的关键。

机械臂有点复杂，我们先以简单一些的ROS小车为例，看看ROS是如何让真实小车动起来的。

大家在某宝上搜索“ROS移动机器人”，会出现一系列的小车，看来看去，无非都是类似下图的零部件组成的：

做个分类，大家应该会更清晰一些：

这就是从控制角度看到的机器人四大组成部分，ROS并不是机器人的全部，主要运行于控制系统当中。

以小车的导航为例，从复杂的算法到小车的运动具体经过了哪些步骤呢？

1.使用者在rviz中使用鼠标选择一个导航目标点

2.全局规划器开始路径规划，得到一条从A到B的最优路径

3.本地规划器开始计算机器人每个周期的最佳速度，尽量靠近最优路径并躲避动态障碍物

OK，划重点啦，此时以上还都是ROS功能包完成的工作，我们进一步简化以上步骤，所有功能看成黑盒，输入是目标位置，输出是周期速度，这个周期速度就是“接口”。

接下来我们要做的事情就是让小车的硬件匹配这个周期速度的接口，怎么匹配呢？

小车的运动最后由电机执行，电机要转起来就需要一个电压信号，要产生电压信号就需要将控制信号（PWM）放大，要产生控制信号就需要有一个微控制器（MCU），微控制器的输入指令哪里来，一条电缆（网线或串口线）连接PC和MCU，接口就连上了。

当然，接口连上只是“肉体连接”，要做到“精神连接”还需要完成控制器里的驱动控制，也就是我们常说的PID闭环控制。

至此，我们成功的让小车动起来了，总结一下，我们怎么让小车动起来的：

1.ROS功能包跑起来

2.控制数据传输给小车的控制器

3.控制器里完成底层控制

4.控制信号变成电信号，电机转起来

似乎有点偏题，我们回到机械臂的场景，原理依然是上边的四个步骤，根据不同的硬件条件，并不是每个步骤都需要我们自己来实现。

在ROS环境下，不管是移动小车的move_base，还是机械臂的MoveIt!，都是解决第一个步骤的功能算法问题。ROS最大的好处就是：我们可以先不关注功能算法的内部实现，通过接口的拼接快速实现系统的原型。所以这里我们需要关注的一个问题是MoveIt!的输入输出接口是什么？

在下面这张图中，我们可以看到MoveIt!核心节点的接口：

输入：编程API（C++、Python）、GUI（Rviz中的Motion Planning）

输出：关节轨迹（Trajectory）

先不纠结MoveIt!里边干了啥，反正当我们通过程序或者界面指定一个目标位置后，它会规划得到一条运动到目标位置的轨迹，这条轨迹由一系列关节空间的位置组成。

和ROS小车一样，接下来，我们要把这条轨迹发给机械臂的控制器，如果你使用的是类似UR、ABB这种工业机械臂的话，控制器都是配套的，只需要在示教器上做一些TCP端口的配置，就可以接收轨迹数据了，后续的底层控制算法和电机驱动就不需要我们关心了，完善的控制器都会帮我们实现。

换一个场景，如果是我们自己做机械臂，控制器需要自己开发，又该如何做呢？

还是上边ROS小车的思路，机械臂控制器里也需要实现这些基础功能：

1.接收控制数据（运动轨迹）

2.完成底层运动控制

3.控制信号变成电信号，电机转起来

不管你用的控制器是MCU、树莓派还是PC，总会有和外界通信的方法，比如常见的串口、网络等，所以第一个接收控制数据的方法就是通过任一媒介，将轨迹数据发送到控制器上，具体实现可以参考ros_serial、ROS-I Simple Message功能包或串口、 socket通信的编程方法。

收到数据之后呢？MoveIt!规划得到的关节轨迹由一系列轨迹点组成，每两个点之间的时间间隔不定，基本是0.1~1秒之间，这个时间间隔对于底层控制来讲，是非常大的，很容易造成轨迹运动不圆滑、速度不均匀的现象，需要进一步细分到和控制周期匹配的间隔，也就是你可能常听说的“轨迹插补”，具体实现可以参考ros_control。

比如初始轨迹的运动总时间是5s，按照10ms插补，那么我们将得到一条由500个点组成的轨迹，每个点包含此刻各关节的位置信息。

接下来就是把这些位置信息变成电信号，让电机转动带动机械臂运动，这就是我们常说的电机驱动。如果你用的是步进电机，你可能需要一个可以接收脉冲位置的步进驱动器，如果你用的是伺服电机，可能需要一个可以接收位置指令的伺服驱动器，如果你使用的是舵机，直接发送位置指令即可，如果你要自己做驱动器，请Google“如何实现电机驱动器”。

按照周期依次完成所有点后，轨迹运动完成，真实机械臂就按照MoveIt!的规划完成运动了。

洋洋洒洒写了这么多，你可能已经从入门到放弃了。。。

好吧，忽略上边的所有内容，直接看图：

ROS MoveIt!控制真实机械臂的一般框架：

1.通过程序或界面设置机械臂运动目标

2.MoveIt!完成运动规划并输出关节轨迹

3.通过socket接口和控制器连接，将关节轨迹发送给控制器

4.控制器进行插补运算，并周期发送给电机驱动器

5.驱动器完成闭环控制，让电机多、快、好、爽的跟随输入指令

6.控制器反馈实时状态到MoveIt!，Rviz动态显示当前状态

以上内容偏向于系统原理的介绍，具体实现的手段和硬件相关，各位还需要在原理的基础上完成开发。愿大家都拥有一段美好的机器人开发之旅~