[发明专利]一种基于ROS系统的机械臂建模及运动规划实现方法

说明书

本发明提出一种基于ROS系统的机械臂建模及运动规划实现方法，主要包括以下步骤：1.机械臂各个零部件三维模型的绘制；2.机械臂各个零部件三维模型的坐标系的创建和保存；3.编写基于XML的机械臂描述文件；4.基于ROS系统的机械臂运动规划解算；5.系统通信及机械臂运动控制实现。本发明的方法可以快速建立机械臂的运动学模型和动力学模型，结合ROS系统的MoveIt模块调用相应的运动规划库实现机器人的运动规划，最后将运动规划解算的结果发送至机械臂的运动控制模块，从而实现机械臂的定位、抓取、空间跟随等动作。本发明的方法可以在ROS系统下对机械臂的运动规划进行快速开发和验证，既可以用于科研中的算法验证，也可以用于实际生产中的机械臂控制。

技术领域

本发明属于机械臂控制和运动规划领域，特别是一种基于ROS系统的机械臂快速建模及运动规划实现方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，无论是工业机器人还是服务型机器人都在各个领域得到了广泛的利用，同时也引起了持续的机器人研究热潮。其中机器人操作系统在机器人大发展中起到至关重要的作用。所谓机器人操作系统实质上是为机器人标准化设计而构造的软件平台，它使得每一位机器人设计师都可以使用同样的平台来进行机器人软件开发。一般来说机器人操作系统主要包括硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理等功能。目前比较常见的机器人操作系统有安卓（Android）系统、Linux（Ubuntu、Debian等）系统、ROS系统、以及一些嵌入式的操作系统（如uCOSIII等）。其中ROS系统具有以下几个特点：

1.分布式计算。

2.程序复用。

3.快速的调试和测试。

这些特点都是快速开发机器人所需要的，因此ROS系统的用户在最近一直呈上升趋势。而如何在ROS系统中准确地建立机器人模型并实现相关的运动控制也成为研究的热点。目前，在ROS中建立机器人模型主要方法如下：

1.采用ROS系统提供的urdf描述句柄创建机器人模型。

2.采用编写的免费的sw2urdf插件，将Solidworks文件转换成urdf机器人模型。

其中第一种方法由于其提供的描述句柄有较多的限制，仅仅可以绘制矩形、圆柱等较为规则的三维模型，对相对简单的机器人系统进行建模尚可，如果机械臂模型复杂，零件又包含各种曲面，这种方法则比较困难，甚至会造成模型失真；第二种方法利用专用的插件将机器人模型进行导出，但是仅仅限制在Solidworks绘图环境中，而且该插件由于是个人编写，缺少维护和验证，在各个版本的Solidworks中兼容性并不好。

在此基础上ROS系统的建模开放了对STL文件和DAE文件的建模支持，本发明就是在此基础上提出了一种基于STL文件模型的坐标系创建规则及方法和描述文件编写框架，在此基础上就可以快速的对机械臂进行建模，结合后面提出的运动规划配制方法可以快速准确地实现机械臂的运动规划和控制。

在机械臂运动规划领域有很多成熟的算法，总体来说分为关节空间规划方法、笛卡尔空间规划方法、样条函数轨迹规划等。其中关节空间规划方法又分为三次多项式轨迹规划、五次多项式轨迹规划、抛物线过渡插值规划等；笛卡尔空间规划方法则包含直线轨迹规划、圆弧轨迹规划等。如此多样的轨迹规划算法在机械臂控制系统中快速配置和效果验证往往比较复杂，本发明在此基础上根据ROS系统支持的MoveIt插件提出了一种快速配置的方法，结合本发明提出的机械臂快速建模方法可以快速实现在机械臂上对各种算法进行配置和验证。

发明内容