Gazebo与ros_control（1）：让模型动起来

不久前，师弟问了我一个问题：“师兄，我要控制一个机器人在仿真环境下运动，需要学什么，或者从哪里入手呢？“

这个问题不是那么好回答，urdf——Gazebo——ros_control——MoveIt，这是我在很久后才能给出的一个答案。那么之前我是怎么做仿真的呢？

1. 借助Arbotix舵机接口来仿真

之前是在学习《ros by example volume 2 》的时候，接触到一个rbx2_bringup 的package，仿照着里面的https://github.com/pirobot/rbx2/blob/indigo-devel/rbx2_bringup/launch/pi_robot_with_gripper.launch 文件写了一个关于youbot的关节的，另外加上一些static_tf转换。

内容如下

   
   

   
   

    
   

   
   
   

   



   
   
      
      
      
   

   
   
      
         model: dualservo
         min_opening: 0.0
         max_opening: 0.009
         invert_left: false
         invert_right: false
         center_left: 0.0
         center_right: 0.0
         pad_width: 0.015
         finger_length: 0.04
         joint_left: gripper_finger_joint_l
         joint_right: gripper_finger_joint_r
      
   

   
   
       
   



   
   

   
   
      
   

   



   
  
  
  
  

  
  
  
  

它加载的yaml文件内容如下

port: /dev/ttyUSB0
baud: 115200
rate: 20
sync_write: True
sync_read: True
read_rate: 20
write_rate: 20

joints: {
#    wheel_joint_fl: {id: 1, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: 0, max_angle: 360, invert: False},
#    wheel_joint_fr: {id: 2, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: 0, max_angle: 360, invert: False},
#    wheel_joint_bl: {id: 3, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: 0, max_angle: 360, invert: False},
#    wheel_joint_br: {id: 4, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: 0, max_angle: 360, invert: False},
    
    wheel_joint_fl: {id: 1, neutral: 512, max_speed: 684, invert: False},
    wheel_joint_fr: {id: 2, neutral: 512, max_speed: 684, invert: False},
    wheel_joint_bl: {id: 3, neutral: 512, max_speed: 684, invert: False},
    wheel_joint_br: {id: 4, neutral: 512, max_speed: 684, invert: False},
    
    arm_joint_1: {id: 5, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: -169, max_angle: 169, invert: False},
    arm_joint_2: {id: 6, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: -65, max_angle: 90, invert: False},
    arm_joint_3: {id: 7, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: -151, max_angle: 146, invert: False},
    arm_joint_4: {id: 8, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: -102.5, max_angle: 102.5, invert: False},
    arm_joint_5: {id: 9, neutral: 512, max_speed: 684, min_angle: -167.5, max_angle: 167.5, invert: False},
    
    gripper_finger_joint_l: {id: 10,neutral: 512, max_speed: 684, invert: False},
    gripper_finger_joint_r: {id: 11,neutral: 512, max_speed: 684,  invert: False}
}
#http://wiki.ros.org/arbotix_python
controllers: {
   #  Pololu motors: 1856 cpr = 0.3888105m travel = 4773 ticks per meter (empirical: 4684) WheelRadius_[meter] = 0.0475 EncoderTicksPerRound = 4000
    base_controller: {type: diff_controller, base_frame_id: base_link, base_width: 0.38, ticks_meter: 4684, Kp: 50, Kd: 0, Ki: 20, Ko: 50, accel_limit: 1.0 },
    arm_controller: {type: follow_controller, joints: [arm_joint_1, arm_joint_2, arm_joint_3, arm_joint_4, arm_joint_5], action_name: arm_1/arm_controller/follow_joint_trajectory}
# rbx2/rbx2_dynamixels/config/arbotix/pi_robot_with_gripper.yaml  
#    arm_controller: {type: follow_controller, joints: [right_arm_shoulder_pan_joint, right_arm_shoulder_lift_joint, right_arm_shoulder_roll_joint, right_arm_elbow_flex_joint, right_arm_forearm_flex_joint], action_name: arm_1/arm_controller/follow_joint_trajectory}
}

启动后，运行起来的节点图

如果用这个仿真，很大程度上是有问题的，虽然也能够让模型动起来，主要是因为Arbotix是针对舵机的，而实际中很多的机器人不只是舵机，也有步进电机等等。我们的KUKA youBot机械臂是步进电机。以前的仿真中主要用的是follow_joint_trajectory action topics。而实际的youbot_driver也会启动这个topic，所以格式方面，仿真中能够用的，实际也可以直接用上，最大的问题是，仿真的参数与实际动作的相似度有有多少，这里是有个很大的问号的。

2. 借助Moveit

关于Moveit之前研究过一段时间，也总结成了三篇博客。点击打开链接

在利用命令roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch 配置好一些config文件后。要控制实际的机器人，我们还得自己设置一个～/catkin_ws/src/moveit_youbot/config/controllers.yaml的配置文件，我的配置如下

controller_list:
  - name: arm_1/arm_controller
    action_ns: follow_joint_trajectory
    type: FollowJointTrajectory
    default: true
    joints:
      - arm_joint_1
      - arm_joint_2
      - arm_joint_3
      - arm_joint_4
      - arm_joint_5

从这里也可以看出，它也是用的Action接口来达到控制的目的的。搜索过一些资料后发现好像还真没其他的配置的方法，基本都是用action来做的。

• https://github.com/ros-planning/moveit_plugins/tree/c52c84dbb8764e8b995f10ab99654c4f65f8335b/moveit_ros_control_interface
• http://answers.ros.org/question/71824/gazebo-and-moveit-moveitsimplecontrollermanager-and-sending-joint-trajectory-messages/
• http://answers.ros.org/question/84806/using-moveit-to-actually-control-a-robot/
  
• https://groups.google.com/forum/#!topic/moveit-users/zNRG50tHuuY
  

其实根据youbot实际的Driver

我还尝试过这样的配置，为的是只使用/arm_1/arm_controller/position_command这个topic，而非action。也有网上的资料说那个type是ros_controller的type，而它又是与Gazebo相关的。在这里我设置的是topic 的type

controller_list:
  - name: arm_1/arm_controller/position_command
    type: brics_actuator/JointPositions
    default: true
    joints:
      - arm_joint_1
      - arm_joint_2
      - arm_joint_3
      - arm_joint_4
      - arm_joint_5

~/catkin_ws/src/moveit_youbot/launchyoubot_moveit_controller_manager.launch.xml 则如下：

貌似也只能使用MoveItSimpleControllerManager了。根据这里的说明点击打开链接。它提供action的接口，绕了个路还是回到了action。也就是这种方式貌似是行不通。

3. Gazebo与ros_control

很久之前学习Gazebo的时候，那个官方tutorial的rrbot，2自由度连杆机器人，结合rqt的一些工具联合调pid，现在依然印象深刻，视频地址点击打开链接。不过当时没太深入，现在随着积累的东西多了，慢慢又会回头看看以前的东西，总有新的收获。而这次则主要是关于ros_control。这里我会先跑一遍官方的例子，然后结合youBot的相关文件来对比说明。

整理了一下，基本上按照这几个地方就好，按照顺序跑一遍：

1. http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_roslaunch
   
2. http://gazebosim.org/tutorials/?tut=ros_urdf
3. http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_gzplugins
4. http://gazebosim.org/tutorials/?tut=ros_control

其中涉及urdf的相关知识，具体参考查看roswiki, http://wiki.ros.org/urdf/XML。

官方package的目录结构如下

这里，我主要是想说说plugin和ros_control，介绍可以看看http://wiki.ros.org/ros_control，开头的那个PPT很不错，可以有个大概了解。

ros_control主要是提供各种controller和Hardware硬件抽象层，而实体机器人或者仿真部件就是其控制的资源，它用来连接它们

下面就结合具体的官方代码来分析下，是如何让仿真中的模型动起来的。首先～/catkin_ws/src/gazebo_ros_demos/rrbot_description/urdf/rrbot.xacro文件定义了两个运动关节的transmission，它的type是：transmission_interface/SimpleTransmission，它的hardwareInterface是：EffortJointInterface

  
    transmission_interface/SimpleTransmission
    
      EffortJointInterface
    
    
      EffortJointInterface
      1
    
  

接着～/catkin_ws/src/gazebo_ros_demos/rrbot_description/urdf/ rrbot.gazebo里有一些传感器的 plugin： libgazebo_ros_control.so， libgazebo_ros_gpu_laser.so， libgazebo_ros_camera.so。hokuyo激光雷达的如下，也就是说即使没有传感器，也可以仿真得到传感器的数据。

 
    
      0 0 0 0 0 0
      false
      40
      
        
          
            720
            1
            -1.570796
            1.570796
          
        
        
          0.10
          30.0
          0.01
        
        
          gaussian
          
          0.0
          0.01
        
      
      
        /rrbot/laser/scan
        hokuyo_link
      
    
  

关于ros_control的plugin也在这个文件中，如下

  
    
      /rrbot
      gazebo_ros_control/DefaultRobotHWSim
    
  

关于它们的说明，如下图

Controllers：

• effort_controllers
  • joint_effort_controller
  • joint_position_controller
  • joint_velocity_controller
• joint_state_controller
  • joint_state_controller
• position_controllers
  • joint_position_controller
• velocity_controllers
  • joint_velocity_controllers

Hardware Interface：

• joint Command Interfaces
  • Effort Joint Interface
  • Velocity Joint Interface
  • Position Joint Interface
• Joint State Interfaces
• Actuator State Interfaces
• Actuator Command Interfaces
  • Effort Actuator Interface
  • Velocity Actuator Interface
  • Position Actuator Interface
• Joint Pose Trajectory
• Differential Drive
• Skid Steering Drive（Pioneer 3AT for instance）
• Plannar Move plugin
  
• Bumper
  
• GPU Laser(e.g. Hokuyo)
  
• Block Laser(e.g. Velodyne)
  
• Force-torque sensor Interface
• IMU sensor Interface

ros_control又是和urdf中的transmission相关的，这里有部分解释 http://wiki.ros.org/ros_control 具体语法还可以参考 http://wiki.ros.org/urdf/XML/Transmission 

依照官网的解释ros_control会去读取～/catkin_ws/src/gazebo_ros_demos/rrbot_description/urdf/rrbot.xacro中的transmisson条目，每个运动关节都需要一个transmission。

那么这些运动关节是以什么方式运动，或者pid参数是如何设定呢?因此就需要一个配置文件来配置这些。这里名叫～/catkin_ws/src/gazebo_ros_demos/rrbot_control/config/rrbot_control.yaml文件。Hardwareinterface的作用就在这个配置文件中体现了，注意Joint1和Joint2的type

rrbot:
  # Publish all joint states -----------------------------------
  joint_state_controller:
    type: joint_state_controller/JointStateController
    publish_rate: 50  
  
  # Position Controllers ---------------------------------------
  joint1_position_controller:
    type: effort_controllers/JointPositionController
    joint: joint1
    pid: {p: 100.0, i: 0.01, d: 10.0}
  joint2_position_controller:
    type: effort_controllers/JointPositionController
    joint: joint2
    pid: {p: 100.0, i: 0.01, d: 10.0}

具体的关于启动的文件，都写在launch文件中了，具体来说就是rrbot_world.launch和rrbot_control.launch，内容分别如下

以下的这个lanuch文件是用来启动controller_manager和发布joint states

上面的这几个文件都是比较通用的，可以当作参考的模板。

以下的这个链接是总的一个关于ROS和Gazebo的系列教程。

http://gazebosim.org/tutorials?cat=connect_ros

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古月的教程：http://www.guyuehome.com/890