ROS2极简总结-MoveIt2

用于 ROS 2 的 MoveIt 运动规划框架。

The MoveIt Motion Planning Framework for ROS 2. 

 参考文献：MoveIt2

MoveIt2功能

• 运动规划
  • 生成高自由度轨迹
  • 可在杂乱的环境中运动并避免局部最小值
• 操纵
  • 通过抓取生成分析环境并与环境交互
• 逆向运动学
  • 求解给定姿势的关节位置，也适用于过度制动的手臂中
• 控制
  • 使用通用接口对低级硬件控制器执行时间参数化联合轨迹
• 3D 感知
  • 使用 Octomaps 连接深度传感器和点云
• 碰撞检查
  • 使用几何图元、网格纹理或点云避开障碍物

时间线

MoveIt2（ROS2） vs MoveIt1（ROS1）

• 实时功能现已可用（ROS2）
• 专为生产而设计 - 同样支持研发
• 多平台：Linux、Windows、macOS 全部都支持！

里程碑

• M1：直接端口到 ROS2
  • 将现有包完全迁移到 ROS2
  • 利用 ROS2 功能：编译（ament）、中间件、日志记录、参数
• M2：实时支持
  • 对传感器输入的反应式闭环控制
  • 混合规划（全局和局部）
  • 与控制器的零内存复制集成
• M3：充分利用ROS2
• MoveIt 节点的生命周期管理
• 利用 ROS2 组件节点

实时功能（M2）

在线机器人操作需要实时安全：

• 通过力、扭矩与环境进行复杂的相互作用
  • 推、抛、拧
• 启用：
  • 反应式闭环控制
  • 高速率联合命令流（例如 >1 kHz）
  • 低延迟和可靠的传感器->控制管道

使用 MoveItCpp 改进 MoveIt 1

直接访问核心 MoveIt 组件

• 支持多个规划管道
• 支持运行多个机器人
  • 更灵活的配置

架构（M3）

利用 ROS2 组件节点获得更好的性能

混合规划 

全局规划

• 优点：
  • 围绕复杂的障碍物进行规划
  • 避免陷入局部最小值
  • 完成：如果存在，将找到解决方案
• 缺点：
  • 较慢的计算时间
  • 非实时
  • 不确定

局部规划

• 优点
  • 快速/反应式
  • 确定性的
  • 非常适合视觉伺服
• 缺点
  • 陷入局部最小值
  • 更少的碰撞安全保障

核心概念

• 机器人状态
  • 包含几何信息和关节值
• 当前状态监视器
  • 通过订阅 /joint_states（由驱动程序提供）更新机器人状态
• 规划场景
  • 碰撞检查和约束检查
• 规划场景监视器
  • 通过 ROS 接口更新规划场景
• 控制器接口
  • 使用 FollowJointTrajectory 发布的规划轨迹（由驱动程序使用） 

MoveIt2 配置

• URDF - 通用机器人描述格式
  • 安全控制器
  • 用于碰撞检查的网格
  • UR5 说明
• SRDF - 语义机器人描述格式
  • 关节组（关节和连杆的集合）
    • 作为关节、连杆或串联链
  • 虚拟和被动关节
  • 机器人姿势
  • 自碰撞
  • UR5 SRDF
• 其他配置
  • 关节限制、运动学和运动规划插件

MoveItCpp API

  

   

    

     

    
    

     

      // \brief load the robot model,
     
    
   

    

     

    
    

     

      // configure the planning pipeline from ROS2 parameters and
     
    
   

    

     

    
    

     

      // initialize defaults 
     
    
   

    

     

    
    

     

      moveit_cpp_ = std::make_shared<moveit::planning_interface::MoveItCpp>(node_);
     
    
   

    

     

    
    

     

      // \brief associated to a planning group 
     
    
   

    

     

    
    

     

      // used to setup the motion plan request and 
     
    
   

    

     

    
    

     

      // call the low-level planner 
     
    
   

    

     

    
    

     

      moveit::planning_interface::PlanningComponent arm("ur5_arm", moveit_cpp_);
     
    
   

    

     

    
    

     

      /** \brief Set the goal constraints generated from target pose and robot link */
     
    
   

    

     

    
    

     

      geometry_msgs::PoseStamped target_pose1;
     
    
   

    

     

    
    

     

      target_pose1.header.frame_id = "base_link";
     
    
   

    

     

    
    

     

      target_pose1.pose.orientation.w = 1.0;
     
    
   

    

     

    
    

     

      target_pose1.pose.position.x = 0.28;
     
    
   

    

     

    
    

     

      target_pose1.pose.position.y = -0.2;
     
    
   

    

     

    
    

     

      target_pose1.pose.position.z = 0.5;
     
    
   

    

     

    
    

     

      arm->setGoal(target_pose1, "ee_link");
     
    
   

    

     

    
    

     

      /** \brief Set the goal constraints generated from a named target state */
     
    
   

    

     

    
    

     

      arm->setGoal("ready");
     
    
  
 

约束规划

用于如下场合：

• 约束机器人运动
• 定义规划目标

  

   

    

     

    
    

     

      kinematic_constraints::JointConstraint
     
    
   

    

     

    
    

     

      kinematic_constraints::OrientationConstraint
     
    
   

    

     

    
    

     

      kinematic_constraints::PositionConstraint
     
    
   

    

     

    
    

     

      kinematic_constraints::VisibilityConstraint
     
    
  
 

例如： 使用为机器人上的连杆指定的路径约束进行规划

  

   

    

     

    
    

     

      moveit_msgs::OrientationConstraint ocm;
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.link_name = "panda_link7";
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.header.frame_id = "panda_link0";
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.orientation.w = 1.0;
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.absolute_x_axis_tolerance = 0.1;
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.absolute_y_axis_tolerance = 0.1;
     
    
   

    

     

    
    

     

      ocm.absolute_z_axis_tolerance = 0.1;
     
    
  
 

将此设置为计划组的路径约束

  

   

    

     

    
    

     

      moveit_msgs::Constraints test_constraints;
     
    
   

    

     

    
    

     

      test_constraints.orientation_constraints.push_back(ocm);
     
    
   

    

     

    
    

     

      move_group_interface.setPathConstraints(test_constraints);
     
    
  
 

笛卡尔规划

• 末端执行器沿表面精确路径（焊接和喷漆应用）
• 为末端执行器指定的路径点列表
• MoveIt 现在支持实时和全局、碰撞感知的笛卡尔规划

理想的属性

完整性、约束不足、提前规划、实时

  

   

    

     

    
    

     

      std::vector<geometry_msgs::Pose> waypoints;
     
    
   

    

     

    
    

     

      waypoints.push_back(start_pose);
     
    
   

    

     

    
    

     

      geometry_msgs::Pose way_pose;
     
    
   

    

     

    
    

     

      waypoints.push_back(way_pose);
     
    
   

    

     

    
    

     

      way_pose.position.y -= 0.2;
     
    
   

    

     

    
    

     

      waypoints.push_back(way_pose);  // right
     
    
   

    

     

    
    

     

      way_pose.position.z += 0.2;
     
    
   

    

     

    
    

     

      way_pose.position.y += 0.2;
     
    
   

    

     

    
    

     

      way_pose.position.x -= 0.2;
     
    
   

    

     

    
    

     

      waypoints.push_back(way_pose);  // up and left
     
    
  
 

现在用插值计算轨迹：

  

   

    

     

    
    

     

      moveit_msgs::RobotTrajectory trajectory;
     
    
   

    

     

    
    

     

      const double jump_threshold = 0.0;
     
    
   

    

     

    
    

     

      const double eef_step = 0.01;
     
    
   

    

     

    
    

     

      double fraction = move_group_interface.computeCartesianPath(waypoints, eef_step, jump_threshold, trajectory);
     
    
  
 

更多内容参考：Github之moveit2。 

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