ROS技术点滴 —— MoveIt!中的运动学插件

MoveIt!是ROS中一个重要的集成化开发平台，由一系列移动操作的功能包组成，提供运动规划、操作控制、3D感知、运动学等功能模块，是ROS社区中使用度排名前三的功能包，目前已经支持众多机器人硬件平台。

MoveIt!中的众多功能都使用插件机制集成，其中有一个重要的功能模块——运动学插件。

今天我们就来聊下MoveIt!中的运动学求解器。

一、KDL

Kinematics and Dynamics Library (KDL)是MoveIt!中的默认运动学插件，在使用MoveIt! Setup Assistant进行模型配置时，可以进行配置。

配置完成后，就可以运行demo.launch控制虚拟机械臂进行运动规划了。但是KDL有自己的优缺点：

比如一次逆解的求解时间：0.062192秒。。。

很多时候我们在做运动规划的时候，MoveIt!经常会提示规划失败、求解失败等错误，很多都是因为KDL这款运动学插件导致的，那么问题就来了——能不能更换一个运动学插件？

当然可以，以下介绍两个用的最多的运动学插件：TRAC-IK和IKFAST。

二、TRAC-IK

TRAC-IK和KDL类似，也是一种基于数值解的运动学插件，但是在算法层面上进行了很多改进，求解效率高了很多。比如在下边这张图中，左侧的红点是KDL无法求解的姿态点，但是在右侧使用TRAC-IK是可以求解的。

那么如何将KDL更换成TRAC-IK呢，方法很简单，ROS的软件源中已经集成了TRAC-IK的安装包，可以直接使用以下命令安装：

sudo apt-get install ros-kinetic-trac-ik-kinematics-plugin

然后修改机械臂MoveIt!配置功能包下的kinematics.yaml文件就可以使用啦：

arm:kinematics_solver: tarc_ik_kinematics_plugin/trac_ikKinematicsPluginkinematics_solver_attempts: 3kinematics_solver_search_resolution: 0.005kinematics_solver_timeout: 0.05

接下来再次运行demo.launch，默认加载的就是TRAC-IK运动学插件了，试试规划求解的效率是不是高了很多！

但是TRAC-IK也有问题，它是一种数值算法，每次求解得到的关节位置不一定相同。

三、IKFAST

IKFAST是一种基于解析算法的运动学插件，可以保证每次求解的一致性。

相比KDL和TRAC-IK，IKFAST的安装过程就比较复杂了，不过就笔者的使用经验来讲，IKFAST的效果还是很推荐的，所以不妨一试，以下就是IKFAST的安装配置过程。

安装程序：

sudo apt-get install cmake g++ git ipython minizip python-dev python-h5py python-numpy python-scipy qt4-dev-tools

安装依赖库：

sudo apt-get install libassimp-dev libavcodec-dev libavformat-dev libavformat-dev libboost-all-dev libboost-date-time-dev libbullet-dev libfaac-dev libglew-dev libgsm1-dev liblapack-dev liblog4cxx-dev libmpfr-dev libode-dev libogg-dev libpcrecpp0v5 libpcre3-dev libqhull-dev libqt4-dev libsoqt-dev-common libsoqt4-dev libswscale-dev libswscale-dev libvorbis-dev libx264-dev libxml2-dev libxvidcore-dev

安装OpenSceneGraph-3.4：

sudo apt-get install libcairo2-dev libjasper-dev libpoppler-glib-dev libsdl2-dev libtiff5-dev libxrandr-dev
git clone https://github.com/openscenegraph/OpenSceneGraph.git --branch OpenSceneGraph-3.4
cd OpenSceneGraph
mkdir build; cd build
cmake .. -DDESIRED_QT_VERSION=4
make -j$(nproc)
sudo make install

安装sympy

pip install --upgrade --user sympy==0.7.1

删除mpmath

sudo apt remove python-mpmath

安装IKFast功能包

sudo apt-get install ros-kinetic-moveit-kinematics

安装OpenRave

sudo apt-get install ros-kinetic-openrave

创建collada文件

export MYROBOT_NAME="marm"
rosrun xacro xacro --inorder -o "$MYROBOT_NAME".urdf "$MYROBOT_NAME".xacro
rosrun collada_urdf urdf_to_collada "$MYROBOT_NAME".urdf "$MYROBOT_NAME".dae

创建dae文件

export IKFAST_PRECISION="5"
cp "$MYROBOT_NAME".dae "$MYROBOT_NAME".backup.dae # create a backup of your full precision dae.
rosrun moveit_kinematics round_collada_numbers.py "$MYROBOT_NAME".dae "$MYROBOT_NAME".dae "$IKFAST_PRECISION"

查看生成的模型

openrave-robot.py "$MYROBOT_NAME".dae --info links

openrave "$MYROBOT_NAME".dae

生成六轴机器人配置

$ export PLANNING_GROUP="arm"
$ export BASE_LINK="1"
$ export EEF_LINK="11"
$ export IKFAST_OUTPUT_PATH=`pwd`/ikfast61_"$PLANNING_GROUP".cpp
$ python `openrave-config --python-dir`/openravepy/_openravepy_/ikfast.py --robot="$MYROBOT_NAME".dae --iktype=transform6d --baselink="$BASE_LINK" --eelink="$EEF_LINK" --savefile="$IKFAST_OUTPUT_PATH"

创建插件

export MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG="$MYROBOT_NAME"_ikfast_"$PLANNING_GROUP"_plugincd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg "$MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG"
rosrun moveit_kinematics create_ikfast_moveit_plugin.py "$MYROBOT_NAME" "$PLANNING_GROUP" "$MOVEIT_IK_PLUGIN_PKG" "$IKFAST_OUTPUT_PATH"

重新编译工作空间

catkin_make

修改使用的插件

rosed "$MYROBOT_NAME"_moveit_config/config/kinematics.yaml<planning_group>:
kinematics_solver: <myrobot_name>_<planning_group>_kinematics/IKFastKinematicsPlugin
-INSTEAD OF-
kinematics_solver: kdl_kinematics_plugin/KDLKinematicsPlugin

注意以上步骤中的机器人名称、运动规划组名称、坐标系序号等需要和自己所使用的机器人匹配，也可以参考官方教程配置：
http://docs.ros.org/kinetic/api/moveit_tutorials/html/doc/ikfast/ikfast_tutorial.html

现在运行demo.launch文件时，使用的运动学插件就是IKFAST了，快试一试效果是不是还不错！