基于ROS的移动操作机械臂底层规划及运动仿真.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书资料大小：5.10M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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硕士学位论文基于ROS的移动操作机械臂底层规划及运动仿真 ROS-BASED PLANNING AND MOTION SIMULATION OF MOBILE MANIPULATOR 钱伟哈尔滨工业大学 2014 年 12 月

国内图书分类号：TP24 学校代码：10213 国际图书分类号：629.7 密级：公开工学硕士学位论文基于ROS的移动操作机械臂底层规划及运动仿真硕士研究生: 钱伟导师 : 陈明助理教授申请学位 : 工学硕士专业 : 机械电子工程所在单位 : 深圳研究生院答辩日期 : 2014 年 12 月授予学位单位 : 哈尔滨工业大学

Classified Index: TP24 U.D.C: 629.7 Dissertation for the Master Degree in Engineering ROS-BASED PLANNING AND MOTION SIMULATION OF MOBILE MANIPULATOR Candidate： Affiliation： Qian Wei Assistant Prof. Chen Ming Supervisor： Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Shenzhen Graduate School Date of Defence： Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology December, 2014

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要移动操作机械臂作为新型的机器人，在家庭服务中发挥着越来越重要的作用，围绕其开展的技术研究也越来越多。本文主要对移动操作机械臂的仿真实验平台搭建及路径规划方法进行了深入研究，形成了自己的观点和方法。本文首先对冗余自由度机械臂的运动学展开研究，其中机械臂的连杆坐标系建立及正向运动学较为简单，逆运动学的解决方法比较复杂。文中提出了手臂三角形平面的概念并通过控制其旋转角度求出了目标位姿下的关节角度。通过笛卡尔空间直线插值、圆弧插值以及自运动插值运动的方法验证了冗余机械臂逆解的正确性。移动操作机械臂是集机械臂、移动平台、传感器的复杂系统，因此仿真要求比普通机器人更高。本文在开源机器人操作系统ROS下搭建了移动操作机械臂的仿真平台。利用开源动力学仿真器Gazebo对笛卡尔空间的插值运动进行了仿真，验证了仿真平台的有效性和可靠性。路径规划是机器人运动首先需要解决的问题，移动操作机械臂在服务人类的过程中不免会遇到动态障碍物，因而机器人的路径规划将面临更加严格的挑战。本文通过改进传统的RRT算法并将其运用到动态环境中，实现了冗余自由度机械臂在动态环境下的自主规划。在仿真实验环节，利用ROS及Gazebo仿真平台完成了基于Kinect的抓取水杯实验以及基于Kinect的开门实验。文章的最后一部分对动态RRT规划过程进行了测试，证明了本文动态RRT算法的可行性。关键词：移动操作机械臂；RRT规划；ROS；Gazebo仿真器；动态规划 I

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract As a kind of novel robots, mobile manipulator plays a more and more important role in domestic service. More and more researches around mobile manipulator have been carried out. This dissertation presents a thorough research on the simulation platform and motion planning of mobile manipulator, and also puts forward some views and methods about the robot. The first part of this dissertation focused on the kinematics analysis of the redundant manipulator. It's a simple task to build link coordinate system and solve forward kinematics problem while inverse kinematics issue is more complicated than that of common 6 DOF manipulators. In this part, the notation called arm triangular plane is presented, and then we can obtain current position of each joint by fixing the revolute angle of the plane. The correctness and availability of the inverse kinematics method are verified by line interpolation, circular arcs interpolation and self-motion interpolation in Cartesian space. Mobile manipulator is a complex system that consists of mechanism arm, mobile platform, sensors ， etc. Thus it's more difficult to simulate mobile manipulators than traditional robots. This dissertation focused on how to create robot simulation platform based on the Robot Operating System (ROS). By making use of the open-source dynamic simulator named Gazebo, it’s simple to simulate Cartesian interpolation motion. The satisfying results prove the validity and reliability of the mobile manipulator simulation platform. Motion planning is the primary problem of robots' moving. When offering services to human, mobile manipulator may encounter dynamic obstacles, in which case, motion planning will become more challenging. In this dissertation, we improve the traditional Rapidly-exploring Random Tree (RRT) algorithm and apply it to the dynamic environment. The ability of motion planning among dynamic obstacles has been significantly enhanced. In the part of virtual experiments, we complete two virtual experiments: grasping cup and opening door based on Kinect depth sensor. The last part of this dissertation focuses on simulating the motion planned by dynamic RRT algorithm on the ROS and Gazebo simulator. By testing the whole planning process of planning and controlling, the availability of dynamic RRT algorithm is verified. Keywords: mobile manipulator, Rapidly-exploring Random Tree (RRT), Robot Operating System (ROS), Gazebo simulator, dynamic motion planning II

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 .............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第 1 章绪论 .......................................................................................................... 1 1.1 课题来源 .......................................................................................................... 1 1.2 课题研究的目的及意义 .................................................................................. 1 1.3 国内外相关技术发展现状 .............................................................................. 2 1.3.1 移动操作机械臂国内外现状 ................................................................... 2 1.3.2 机器人仿真系统国内外现状 ................................................................... 4 1.3.3 机器人高维空间路径规划 ....................................................................... 6 1.4 本文的主要研究内容 ...................................................................................... 7 第 2 章冗余机械臂运动学建模与分析 .................................................................. 9 2.1 引言 .................................................................................................................. 9 2.2 机械臂正运动学 .............................................................................................. 9 2.3 机械臂逆运动学 ............................................................................................ 11 2.3.1 点位置的求解 .................................................................................... 13 2.3.2 手臂平面角度求解 ................................................................................. 13 2.3.3 点固连坐标系位姿求解 ..................................................................... 14 2.3.4 机械臂关节角度的求解 ......................................................................... 16 2.4 笛卡尔空间轨迹规划 .................................................................................... 16 2.4.1 直线轨迹插补 ......................................................................................... 17 2.4.2 圆弧轨迹插补 ......................................................................................... 19 2.4.3 冗余机械臂自运动插补 ......................................................................... 21 2.5 本章小结 ........................................................................................................ 22 第 3 章基于ROS的仿真平台搭建 ........................................................................ 23 3.1 引言 ................................................................................................................ 23 3.2 ROS基本介绍 ................................................................................................ 23 3.3 ROS的基本组成 ............................................................................................ 23 3.4 机器人模型的导入 ........................................................................................ 25 3.5 Gazebo动力学仿真器 .................................................................................... 28 3.5.1 直线插值运动Gazebo仿真 ..................................................................... 28 III WE

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.5.2 圆弧插值运动Gazebo仿真 ..................................................................... 29 3.5.3 自运动插值运动Gazebo仿真 ................................................................. 30 3.6 本章小结 ........................................................................................................ 31 第 4 章高维空间RRT规划及动态规划 ................................................................ 32 4.1 引言 ................................................................................................................ 32 4.2 传统RRT算法 ................................................................................................ 32 4.3 RRT算法 ........................................................................................................ 33 4.3.1 总体方案 ................................................................................................. 33 4.3.2 节点拓展 ................................................................................................. 34 4.3.3 碰撞检测 ................................................................................................. 35 4.3.4 轨迹优化 ................................................................................................. 36 4.4 静态RRT算法实验 ........................................................................................ 38 4.4.1 二维静态RRT算法实验 .......................................................................... 38 4.4.2 高维静态RRT算法实验 .......................................................................... 40 4.5 动态RRT算法实验 ........................................................................................ 42 4.5.1 二维动态RRT算法实验 .......................................................................... 43 4.5.2 高维动态RRT算法实验 .......................................................................... 45 4.6 本章小结 ........................................................................................................ 46 第 5 章控制器设计及仿真实验 ............................................................................ 47 5.1 引言 ................................................................................................................ 47 5.2 Gazebo控制器设计 ........................................................................................ 47 5.3 仿真平台验证实验 ........................................................................................ 49 5.3.1 基于Kinect的抓取水杯实验 .................................................................. 49 5.3.2 基于Kinect的移动操作机械臂开门实验............................................... 52 5.3.3 动态RRT运动规划算法仿真实验 .......................................................... 54 5.4 本章小结 ........................................................................................................ 60 结论 ....................................................................................................................... 61 参考文献 ................................................................................................................... 62 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 ........................................................... 66 致谢 ....................................................................................................................... 68 IV

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论 1.1 课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目，项目名称：面向任务的服务机器人系统基础理论与关键技术。 1.2 课题研究的目的及意义机器人诞生以来，人类按照其智能化的程度划分为三代：示教型机器人属于第一代机器人，其智能化程度低但由于价格的低廉而商业应用最多；具有本体传感器的感知型机器人属于第二代机器人，它能够感知自身状态及外部环境信息，可以实现反馈运动控制；第三代智能机器人具有更强的感知能力以及前两代机器人所缺乏的自主学习、决策能力，它包含了复杂的智能化信息处理系统，目前该类机器人相关技术正处于研发阶段[1]。工业机器人是迄今为止应用最为广泛的机器人 [2]，它们被设计用来代替人类从事具有重复性或者危险性的生产工作，例如：车体焊接、车身涂装、零件装配等。机器人技术的不断发展使得机器人不再只应用于在工业制造[3]，越来越多的机器人正参与到人类的日常生活中，这类机器人统称为服务机器人[4]。一般来讲，服务机器人属于第三代机器人，其具有前两代机器人没有的智能化系统[5]。移动服务机器人具有行动能力，能够在人类生活环境中自由移动。如图 1-1 所示为三种典型的移动服务机器人：递物机器人、扫地机器人和娱乐机器人，它们的出现方便舒适了人们的生活[6]，然而这三种机器人属于传统的移动服务机器人，它们能够遵循人类指令完成特定的任务，但却存在功能单一，自身没有足够执行能力，智能化程度较低等缺点。 a) 递物机器人 b) 扫地机器人 c) 娱乐机器人图 1-1 三种传统的移动服务机器人 1

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