基于ROS的輪式機(jī)器人建模方法與仿真研究

朱建軍，王明園，張博文

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

隨著“中國制造2020”和“工業(yè)4.0”的提出[1]，中國開始向人工智能應(yīng)用發(fā)展，ROS(Robot Operating System)作為開源機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺(tái)，免費(fèi)提供開放的源碼，為人工智能的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力[2]，開源機(jī)器人操作系統(tǒng)被廣泛使用.ROS開源操作系統(tǒng)具有復(fù)用化和模塊化功能，使機(jī)器人開發(fā)變得更加容易，為智能機(jī)器人的發(fā)展提供技術(shù)保障，極大地提高了開發(fā)效率[3].相比傳統(tǒng)的Matlab、OpenGL等操作系統(tǒng)，ROS更易上手.利用SolidWorks創(chuàng)建機(jī)器人模型，進(jìn)一步降低模型創(chuàng)建的復(fù)雜度和難度，有效提高建模的效率.

1 機(jī)器人操作平臺(tái)

ROS系統(tǒng)源于2007年機(jī)器人技術(shù)公司“Willow Garage”個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目與斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的合作[4].2008年后，由柳樹車庫進(jìn)行推廣和維護(hù).經(jīng)過多年的發(fā)展，ROS操作系統(tǒng)變得更加完善，不僅為操作者提供了實(shí)用性較強(qiáng)的工具也提供了先進(jìn)的開源算法.ROS主要用于機(jī)器人的仿真和控制，他是分布式體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)軟件包都是獨(dú)立的.ROS可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以根據(jù)使用要求進(jìn)行松耦合運(yùn)行.按照ROS的系統(tǒng)框架可將其分為計(jì)算圖級(jí)、社區(qū)級(jí)、文件系統(tǒng)級(jí)3個(gè)層級(jí).ROS支持多種語言開發(fā)，例如Python、Java、C++等，ROS的代碼復(fù)用使得對(duì)機(jī)器人的開發(fā)更加便捷，開源操作平臺(tái)降低了機(jī)器人開發(fā)的難度，開發(fā)者可以在ROS社區(qū)分享和交流技術(shù)方面的知識(shí).ROS具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)、多種編程語言、快速測試和分布式計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，基于ROS的機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)逐漸成為主流，目前大多數(shù)機(jī)器人工廠都在使用他.

2 機(jī)器人三維建模創(chuàng)建

ROS環(huán)境下建模比較復(fù)雜，有一定的局限性需要分析復(fù)雜的程序和模型結(jié)構(gòu)，步驟過于繁瑣，設(shè)計(jì)者必須在建模時(shí)保持清晰的思路.將外部模型導(dǎo)入ROS中可以有效減少建模時(shí)間，提高工作效率.利用SolidWorks三維建模軟件[5]建立機(jī)器人的模型，再將模型文件導(dǎo)入ROS，該方法具有操作簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn).

SolidWorks的建模方式分為兩種，分別為自底向上和自頂向下.自底向上的建模方法是先繪制總體模型所需要的各個(gè)零部件，再利用SolidWorks中的組合關(guān)系將零部件進(jìn)行配合，此建模方式可以對(duì)零部件的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，但對(duì)零部件精度的要求十分精確.誤差的存在會(huì)使零件無法正常配合，再次修改比較麻煩.另一種為自頂向下的建模方法，這種建模方法是先在裝配體中繪制零件的草圖，確定終止關(guān)系和模型之間的參考關(guān)系.以這種方式建模時(shí)修改參考零部件模型，其他零部件也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的更新，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求較高，設(shè)計(jì)思路要十分清晰，操作比較困難.

本文采用自底向上的建模方法，先繪制各個(gè)零件的草圖，按照要求的尺寸和幾何關(guān)系進(jìn)行圖形的繪制，再利用切割和拉伸定義每個(gè)零部件的厚度尺寸和相應(yīng)的規(guī)格.圖1為移動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)零部件的三維模型和最終的組裝模型.

圖1 零件與裝配圖

模型組裝完成后，再利用sw2urdf插件將三維模型生成ROS中可執(zhí)行的URDF文件，在生成URDF文件之前先在三維模型中添加相應(yīng)的坐標(biāo)系和基準(zhǔn)軸，坐標(biāo)系是每個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)于仿真環(huán)境中世界坐標(biāo)系的位置和方向，生成URDF文件時(shí)可以形成相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn).基準(zhǔn)軸是每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的軸承，本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人共需要5個(gè)基準(zhǔn)軸，分別為4個(gè)輪子旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)軸和激光雷達(dá)的基準(zhǔn)軸，坐標(biāo)系和基準(zhǔn)軸如圖2所示.

圖2 坐標(biāo)與基準(zhǔn)軸

3 模型文件分析與優(yōu)化

移動(dòng)機(jī)器人模型文件采用四驅(qū)滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)四輪驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由角速度和線速度兩個(gè)參數(shù)決定[6]，運(yùn)動(dòng)模型分析如圖3所示.

圖3 運(yùn)動(dòng)模型分析

vr=ω×L，

(1)

其中ω是機(jī)器人自身旋轉(zhuǎn)的角速度，L是車輪中心到機(jī)器人的中心的距離，vr是提供小車運(yùn)動(dòng)的角速度.再由計(jì)算出vr得到小車輪子的合速度[7].

vw=vr+v，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

а是車身底盤寬度的1/2，b是小車身底盤長度的1/2，通過一個(gè)簡單的矢量加運(yùn)算，可以計(jì)算小車的輪子合速vw.

3.1 URDF模型文件

URDF(Unified Robot Description Format)是一種在ROS中描述機(jī)器人仿真模型的編程語言[8]，他基于XML文本文件來描述機(jī)器人的模型.用戶可以根據(jù)機(jī)器人模型的屬性進(jìn)行模型尺寸、形狀、顏色、質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)類型等基本屬性的修改，還可以加入機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和碰撞檢測等.

[9]

圖4 模型文件關(guān)節(jié)

URDF模型描述文件中包含本體、關(guān)節(jié)和節(jié)點(diǎn)的定義以及父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，基本編程語法如表1所示.

表1 URDF基本語法

圖5 link描述示意圖

是用來鏈接兩個(gè)剛體，包含了鋼體之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)和兩個(gè)剛體之間的運(yùn)動(dòng)形式、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置等信息.運(yùn)動(dòng)類型有continuous(無限旋轉(zhuǎn))、revolute(帶限位旋轉(zhuǎn))、prismatic(滑動(dòng)關(guān)節(jié))、planar(平面關(guān)節(jié))、floating(浮動(dòng)關(guān)節(jié))、fixed(固定關(guān)節(jié))[10].Joint示意圖見圖6.

圖6 關(guān)節(jié)連接示意圖

3.2 XACRO模型文件優(yōu)化

XACRO是對(duì)URDF文件進(jìn)行優(yōu)化后的模型文件，解決了URDF文件存在代碼冗長，重復(fù)內(nèi)容過多、不便修改模型文件參數(shù)等問題，另外XACRO具有參數(shù)計(jì)算功能，更利于二次開發(fā).XACRO文件要首先定義標(biāo)頭，其格式如下：

...

URDF文件的優(yōu)化方式有以下3種：

2.宏定義，可以完成一些最小模塊的定義，在程序中可以重復(fù)調(diào)用，降低了代碼的冗長.

3.數(shù)學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算得到精確的參數(shù)，使模型更加精確，便于修改.

3.3 模型文件導(dǎo)入

將優(yōu)化的模型文件導(dǎo)入到Rviz中顯示3D模型，其導(dǎo)入流程圖如圖7.

圖7 模型導(dǎo)入流程

4 仿真環(huán)境測試

在模型文件所在的目錄下打開終端并輸入指令roslaunch car_gaebo mycar.launch，通過Rviz顯示模型，如圖8(a)、(b)分別為小車在Rviz的3D模型、TF坐標(biāo)系和模型中的link.

圖8 模型導(dǎo)入圖

在新終端輸入roslaunch car_gazebo teleop.launch控制小車運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人小車的運(yùn)行狀態(tài)可以通過仿真環(huán)境gazebo進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)在終端可以實(shí)時(shí)獲取小車運(yùn)行時(shí)的軌跡坐標(biāo)及狀態(tài)，仿真測試結(jié)果如圖9和表2所示.

時(shí)間變化/s圖9 位置變化曲線

表2 位置變化數(shù)據(jù)

Rviz中小車的軌跡路線和雷達(dá)信息測試結(jié)果如圖10所示，其中①是小車運(yùn)行時(shí)的歷史軌跡，②是雷達(dá)檢測周圍障礙物的信息.通過添加相應(yīng)的控制程序后可以實(shí)現(xiàn)鍵盤控制功能，行走路線與鍵盤控制路線基本一致，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模型可控，雷達(dá)檢測信息與障礙物信息相吻合.

圖10 仿真測試圖

5 結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了在SolidWorks創(chuàng)建機(jī)器人的三維模型，經(jīng)過配合組裝后轉(zhuǎn)換為URDF文件，在優(yōu)化模型文件后導(dǎo)入到仿真環(huán)境中添加相應(yīng)的控制程序，利用鍵盤控制小車的運(yùn)動(dòng)，通過最終的測試，小車成功在Gazebo和Rviz中運(yùn)行.相比于ROS環(huán)境下的建模，利用SolidWorks建模能夠減少建模的時(shí)間，提高模型的準(zhǔn)確性.實(shí)踐證明了方案在模型構(gòu)建中的可靠性和有效性，通過外部建立模型再導(dǎo)入到Gazebo和Rviz中可以提高工作效率，克服ROS本身建模的局限性.后續(xù)可以添加相應(yīng)的定位建圖和路徑規(guī)劃算法，測試小車在陌生環(huán)境中的導(dǎo)航等功能.