【从零开始的ROS四轴机械臂控制】（一）- 实际模型制作、Solidworks文件转urdf与rviz仿真

前记：

之前学习了很多关于ROS的知识，现在想自己制作一个四轴器械臂来练练手。所以就定为arm0.1版本，使用MG90s舵机来搭建一个四轴机械臂。arm0.1版本的目标是对不同颜色的方块进行分类并在Gazebo中模拟出来。

在未来计划的arm1.0版本中，计划使用步进电机来搭建六轴机械臂，使用上RL，实现人机交互，希望能在下个学期完成它。

一、模型制作

1.实际模型制作

首先是实际模型的制作，就使用3d打印机制作了。我使用的是ANYCUBIC的一款打印机，主要是因为价格便宜，性价比比较高，而且安装也不用太花时间，使用下来稳定性还不错。

四轴机械手网上的模型挺多的，我这里采用https://www.thingiverse.com/thing:34829提供的模型，这个模型设计中有考虑误差，所以打印基本一次成型。

以下是网站中提供的图片。

实际模型打印出如下图。比较需要注意的夹爪部分的齿轮，打印出来的尺寸和模型给出来的尺寸还是有区别的。因为是齿轮结构，对精准度要求比较高，需要打印几次才能成功。

舵机我采用MG90s，毕竟我手头只有这个版本的舵机。舵机控制使用16路舵机驱动控制模块PCA9685：

用arduino UNO控制,接线如图所示：

图片来源见水印，关于PCA9685模块的使用可以参考相关博客：Arduino uno使用PCA9685模块实现16路舵机控制。

以上是这个项目目前的框图，有很多细节没有标清楚，只标出了硬件部分，其它的在未来会慢慢补全。

全程使用VM虚拟机，在未来arm1.0版本中可能使用Raspberry pi来控制，只把图像处理和模拟部分放在PC上。

然后测试了我所使用的这个USB摄像头，发现其好像无法接到虚拟机中。然后考虑到价格问题，还是觉得没有必要买个新的摄像头，要实现对不同颜色的方块进行分类，完全可以在gazebo中模拟出来。arduino和虚拟机的连接是没有问题的，可以正常使用虚拟机进行下载程序。关于arduino如何与ros进行连接，将在以后的博文中进行说明。

2.Solidworks模型制作

Solidworks使用的是2017版本。因为之前提供模型的网站只提供stl文件，stl导入solidworks中的文件基本无法使用，所以就决定自己画了。因为是模拟，所以精度不是太高。只是简单的制作了其结构，夹爪部分感觉比较麻烦，也没有制作。最后使用了Solidworks自带的渲染工具，其效果如下图。

模型建好了就可以使用相关插件导出到urdf了。

二、Solidworks文件转urdf

URDF（Universal Robot Description Format）——通用机器人描述格式，它是ROS里边使用的一种机器人的描述文件，包含的内容有：连杆、关节，运动学和动力学参数、可视化模型、碰撞检测模型等。

1.sw_urdf_exporter插件

要将arm.SLDASM文件导出为urdf文件，sw_urdf_exporter插件是必不可少的。

1.5.1版本中提供了exe文件，下载完成后直接安装就可以了。之后就可以在插件栏找到它。

我的2017版本的solidworks的导出urdf选项在：工具–>File -->Export as urdf。

我当时一度以为该选项在文件选项栏，试了各种方法找不到导出选项，最后发现它在工具选项栏…真的是白白浪费了我几个小时的时间

2. 添加坐标系和转轴

导出urdf文件的插件没有问题后，接下来就要为导出urdf文件做准备了，首先是为我们的模型添加坐标系和转轴。

转轴添加比较简单，有很多添加方法。我使用的是选择某一个圆柱面添加。

坐标系是需要确定坐标系原点，在选择x,y,z的方向。

所以一个建议是首先确定axis0-3，再确定coordinate0-4。

3.导出urdf文件

在主界面打开，工具–>File -->Export as urdf，按照我图片中给出的顺序进行操作。注意不要选到别的地方，在点击Export之前，所有操作都不会保存。我尝试了几次才正确的导出的。

点击Rreview and Export之后，出现以下窗口，记得填写limit部分。


导出后，生成文件如下：

其中文件作用如下：
• scripts (python 可执行文件)
• src (C++ source files)
• msg (for custom message definitions)
• srv (for service message definitions)
• include -> 需要作为依赖项的头/库
• config -> 配置文件
• launch -> 提供更自动化的启动节点方式
• urdf (通用机器人描述文件)
• meshes (CAD文件.dae (Collada)或.stl (STereoLithography)格式)
• worlds (用于Gazebo模拟环境的类似XML的文件)

4.参考博客

导出urdf文件我参考了以下博客，
1.【ROS学习】Solidworks模型转化为URDF文件格式+三连杆机械臂示例+逆运动学
2. ROS Wiki sw_urdf_exporter

三、rivz仿真

1.rivz仿真

将导出的文件复制到~/catkin_ws/src目录下.

修改display.launch文件，其在launch文件夹下。

将default的值从False改为True，否则无法打开Joint State Publish工具。

  //将False改为True
...

运行命令打开文件

cd ~/catkin_ws
source devel/setup.bash
catkin_make
roslaunch arm0 display.launch

之后我们就可以打开RViz了，但是现在没有任何模型加载。

解决方法是，首先在Fixed Frame栏中选中自己定义的链接名称。

之后点击左下角的“Add”来添加我们的模型。

选择RobotModel，然后点击‘OK’。

之后模型就可以加载出来了，然后移动鼠标经行缩放移动，或者可以使用Joint State Publish来调整关节角度。

注意Joint State Publish的调整范围是根据之前设定的limit。

2.借助MoveIt!在rviz中进行逆运动学测试

使用Ｍoveit!提供的setup_assistant来配置机械臂的package文件，需要使用到上一部分生成的URDF文件。
使用命令

roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch

打开assistant后点击Create New Moveit Configuration Package 导入URDF文件，我的urdf文件路径如图片所示

设置Self-Collision，点击Generate Collsion Matrix :

设置Virtual Joints，Parent Frame Name设为world_frame，save完成后如下图所示。相关名称可以参考图片中的名称。

设置Planning Groups名称

选择运动学求解器，然后点击Add Kin. Chain。然后把base_link设置为Base Link，把link4设置为Tip Link：

设置Robot Pose,和作者邮箱。

然后设置保存路径，如下图所示。点击Generate Package。

文件如下图所示：

运行命令

cd ~/catkin_ws/src/config/launch/
roslaunch demo.launch

运行如下图所示。

例如，我们可以通过调整红框中的部分来进行逆运动学模拟。