ROS機械臂 Movelt 學習筆記4 | Move Group 介面 Python

2022-08-06 18:00:45

Python 的使用總是比 C++ 簡單許多,Move Group 的 Python 介面更為便捷,也為使用者提供了很多用於操縱機器人和機械臂的函數,能夠和 C++ 介面實現相同的功能:

  • 設定機械臂的位姿
  • 進行運動規劃
  • 移動機器人本體
  • 將物品新增到環境 / 從環境移除
  • 將物體系結到機器人 / 從機器人解綁

1. 執行範例程式碼

1.1 執行過程

cd ~/ARM/ws_moveit/
source devel/setup.bash
# 開啟機器人模型結點
roslaunch panda_moveit_config demo.launch

新開一個終端,在相同目錄下執行

source devel/setup.bash
# 機器人python 介面結點
rosrun moveit_tutorials move_group_python_interface_tutorial.py

1.2 預期效果

在RViz 中,會看到以下效果:

  1. 規劃並運動到指定的 關節目標 joint goal
  2. 規劃並運動到指定的 姿態目標 pose goal
  3. 規劃並顯示一個笛卡爾軌跡
  4. 重演一遍 3 中的笛卡爾軌跡(執行一個儲存/規劃過的軌跡)
  5. 在 Panda 的末端執行器 處新增一個盒子
  6. 改變盒子的顏色,表示已經被機械臂抓到了
  7. 機械臂抓著這個盒子執行一段笛卡爾軌跡
  8. 再次改變盒子顏色,表示從機械臂處解綁
  9. 移除盒子。

2. 程式碼分析

2.1 初始化

2.1.1 引入包

使用python介面時,我們通常需要載入moveit_commander , 這是一個namespace package,裡面會載入MoveGroupCommander類, PlanningSceneInterface
以及RobotCommander類;以及其他的一些類和訊息msg。

後續學習到細節時,可能會講解這些類。但目前沒有必要,因為我們學習的就是這個介面。

import sys
import copy
import rospy
import moveit_commander
import moveit_msgs.msg
import geometry_msgs.msg
from math import pi
from std_msgs.msg import String
from moveit_commander.conversions import pose_to_list

2.1.2 初始結點

初始化moveit_commander,建立一個node結點:

# 初始化moveit_commander
moveit_commander.roscpp_initialize(sys.argv)
# rospy node初始化
rospy.init_node('move_group_python_interface_tutorial', anonymous=True)

2.1.3 建立物件

建立/範例化 一個RobotCommander的物件。RobotCommander是針對整個機器人的控制,會提供機器人的運動學模型和機器人的當前關節狀態:

robot = moveit_commander.RobotCommander()

建立一個PlanningSceneInterface的物件。PlanningSceneInterface是用於和機器人環境的互動(如新增物體時會用到):

scene = moveit_commander.PlanningSceneInterface()

建立 MoveGroupCommander 的物件。 MoveGroupCommander 是針對一個規劃組進行控制。這裡通過設定 group_name = panda_arm 控制 Panda 機器人的手臂。

規劃組的概念在C++部分以及基本概念中都提到過,是我們控制規劃和執行運動的物件。

在 panda 機器人中,panda_arm 是主要手臂關節。

建立一個Publisher,釋出的型別是DisplayTrajectory,用於 rivz 中顯示軌跡

display_trajectory_publisher = rospy.Publisher('/move_group/display_planned_path',                                              																													moveit_msgs.msg.DisplayTrajectory,
                                               														queue_size=20)

2.2 獲取基本資訊

# 獲取機器人的參考座標系
planning_frame = move_group.get_planning_frame()
print "============ Planning frame: %s" % planning_frame

# 獲取規劃組的末端執行器
eef_link = move_group.get_end_effector_link()
print "============ End effector link: %s" % eef_link

# 獲取機器的所有規劃組
group_names = robot.get_group_names()
print "============ Available Planning Groups:", robot.get_group_names()

# 獲取機器人的當前狀態
print "============ Printing robot state"
print robot.get_current_state()
print ""

2.3 Planning to a Joint Goal

規劃到一個關節目標,與C++ 不同的是需要使用弧度制。

因為 panda 機器人的初始位置是一個奇點,先移動到一個較好的位置,這個動作使用 joint goal 規劃:

# 賦值調整關節姿態
joint_goal = move_group.get_current_joint_values()
joint_goal[0] = 0
joint_goal[1] = -pi/4
joint_goal[2] = 0
joint_goal[3] = -pi/2
joint_goal[4] = 0
joint_goal[5] = pi/3
joint_goal[6] = 0

# go()命令規劃並執行動作,如果設定好了,可以不需要第一個引數
move_group.go(joint_goal, wait=True)

# 呼叫 stop() 確保沒有多餘的移動
move_group.stop()

2.4 Planning to a Pose Goal

同樣的,也可以為末端執行器設定目標姿態來進行機械臂規劃:

位置xyz,角度w,合起來是位姿

pose_goal = geometry_msgs.msg.Pose()
pose_goal.orientation.w = 1.0
pose_goal.position.x = 0.4
pose_goal.position.y = 0.1
pose_goal.position.z = 0.4
# 這個函數也與 C++ 中相同
move_group.set_pose_target(pose_goal)

呼叫規劃器計算並執行。

plan = move_group.go(wait=True)
move_group.stop()
#完成規劃後清除目標
move_group.clear_pose_targets()

注意只有pose goal這裡可以有清除目標的函數clear_pose_targets(),joint value goal 沒有這個對應的函數。

2.5 Cartesian Paths

笛卡爾路徑。

通過指定 末端執行器 要通過的途徑點列表,直接規劃笛卡爾路徑。

如果在 Python shell 中互動執行,需要設定scale=1.0。

waypoints = []

## 第一段軌跡
wpose = move_group.get_current_pose().pose
wpose.position.z -= scale * 0.1  # First move up (z)
wpose.position.y += scale * 0.2  # and sideways (y)
# 將該段的終點加入途徑點的列表中。
waypoints.append(copy.deepcopy(wpose))

## 第二段軌跡
wpose.position.x += scale * 0.1  # Second move forward/backwards in (x)
waypoints.append(copy.deepcopy(wpose))
wpose.position.y -= scale * 0.1  # Third move sideways (y)
waypoints.append(copy.deepcopy(wpose))

# 以1cm的解析度進行插值,所以設定eef為0.01
# jump_threshold跳轉閾值為0.0
(plan, fraction) = move_group.compute_cartesian_path(
                                   waypoints,   # waypoints to follow
                                   0.01,        # eef_step
                                   0.0)         # jump_threshold

# 注意這裡只是規劃一個笛卡爾路徑,但機械臂還沒有執行。
return plan, fraction

2.6 Displaying a Trajectory

在 RViz 中顯示路徑。呼叫 group.plan() 規劃路徑的時候會自動在 rviz 中顯示。

也可以手動進行顯示,建立一個 DisplayTrajectory 的訊息物件,然後釋出到 '/move_group/display_planned_path' 話題。見下面程式碼:

#建立顯示路徑的物件
display_trajectory = moveit_msgs.msg.DisplayTrajectory()
# 用當前狀態作為起始點
display_trajectory.trajectory_start = robot.get_current_state()
# plan 是傳入函數的引數,是已知的
display_trajectory.trajectory.append(plan)
# Publish
display_trajectory_publisher.publish(display_trajectory);

DisplayTrajectory msg 主要有兩個屬性:

  • 起始點 trajectory_start
  • 路徑 trajectory

2.7 Executing a Plan

規劃完畢 plan 之後,要讓機器人實際執行這個規劃,就使用 move_group.execute()

move_group.execute(plan, wait=True)

這個函數要求起始點在機器人軌跡的可允許的誤差內(即符合機器人的動力運動學)

2.8 物體操作

2.8.1 新增物體

在planning scence 中 機器人左指的位置新增一個 box。

box_pose = geometry_msgs.msg.PoseStamped()
box_pose.header.frame_id = "panda_leftfinger"
box_pose.pose.orientation.w = 1.0
box_pose.pose.position.z = 0.07 # slightly above the end effector
box_name = "box"
scene.add_box(box_name, box_pose, size=(0.1, 0.1, 0.1))

注意,這裡使用的座標系是 左指座標系,這樣就很容易確定 box 與 左指 的位置。

box_pose = geometry_msgs.msg.PoseStamped()
box_pose.header.frame_id = "panda_leftfinger"
box_pose.pose.orientation.w = 1.0
box_pose.pose.position.z = 0.07 # slightly above the end effector
box_name = "box"
scene.add_box(box_name, box_pose, size=(0.1, 0.1, 0.1))

2.8.2 檢查是否釋出成功

在新增/移除物體後,會發佈一個更新碰撞物體(collision object) 的訊息,這個訊息在釋出出去的時候可能會丟失

為了確保物體成功新增/移除,可以通過get_known_object_names()獲取當前已知的物體來檢查是否成功。

start = rospy.get_time()
seconds = rospy.get_time()
while (seconds - start < timeout) and not rospy.is_shutdown():
  # 檢查盒子是否是捆綁物體
  attached_objects = scene.get_attached_objects([box_name])
  is_attached = len(attached_objects.keys()) > 0

  # 檢查盒子是否被新增
  # 注意:如果將盒子捆綁在機械臂上,則不會出現在 known_object_names 中
  is_known = box_name in scene.get_known_object_names()

  # 檢查我們是否在預期的狀態
  if (box_is_attached == is_attached) and (box_is_known == is_known):
    return True

  # Sleep so that we give other threads time on the processor
  rospy.sleep(0.1)
  seconds = rospy.get_time()

# If we exited the while loop without returning then we timed out
return False

2.8.3 將物體捆綁在機械臂上

接下來,我們將把 box 繫結到 panda 上。

繫結有一個條件,就是movelt 不能將機械臂的某些部位與物體的這種正常接觸當作碰撞而報錯。所以需要將這些 部位/link 加入 touch_links,告訴規劃場景 planning scene 忽略這些 links 與 物體 之間的碰撞

對於 panda 機械臂,設定 grasping_group = 'hand'。如果使用不同的機器人,則應將此值更改為 末端執行器 規劃組的名稱。

grasping_group = 'hand'
touch_links = robot.get_link_names(group=grasping_group)
scene.attach_box(eef_link, box_name, touch_links=touch_links)

2.8.4 解綁物體

scene.remove_attached_object(eef_link, name=box_name)

將物體從機械臂上解除。

2.8.5 移除物體

物體必須要先解綁,然後才能移除。

scene.remove_world_object(box_name)

當然,這些操作都可以使用2.8.2 中的檢驗函數來確保規劃器執行了我們的命令。原始碼中都使用了:

# 如移除物體操作的檢驗函數的引數應當為:
return self.wait_for_state_update(box_is_attached=False, box_is_known=False, timeout=timeout)

3. 總結

就語言角度來講,python 更親切一點,只需要明白 類的相關概念 就能很好的閱讀原始碼。

原始碼呈現了很好的封裝性,不同操作的程式碼寫在同一類的不同的函數下,等待 main 函數來依次呼叫,而不用考慮彼此之間的一些關聯。

3.1 規劃方式

同樣,python介面也在強調三種規劃方式:

我個人認為是兩種,笛卡爾路徑應當是pose goal規劃的延伸

  1. joint value goal planning:

    • 使用move_group.get_current_joint_values()函數得到當前關節狀態的陣列
    • 修改陣列的數值
    • 注意此處數值是弧度制,帶 pi
    • 用move_group.go() 來進行規劃
    • 用move_group.stop()來停止運動
  2. pose goal planning:

    • 用geometry_msgs.msg.Pose()得到當前位置姿態;
    • 修改角度w,座標x、y、z
    • 使用move_group.set_pose_target(pose_goal)來設定目標
    • 同樣使用 go() 和 stop() 規劃和停止
    • 這種規劃多了一個可以清除目標的函數

物體的相關操作我就不再此列舉了,上面的函數也挺清楚。