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目录
前言
一、实验原理
1.1、 ROS2里的机械臂消息包格式
1.2、机械臂控制
1.3、控制话题
二、编写机械臂控制程序
2.1、新建机械臂功能包 mani_pkg
2.2、编写机械臂控制源码
2.3、配置 CMakeLists.txt
2.4、配置 package.xml
三、编译与仿真运行
3.1、编译功能包
3.2、运行过程
总结
前言
在机器人开发中，机械臂是实现抓取、搬运、操作任务的核心执行机构。ROS2 提供了标准的关节状态消息格式，可以快速实现机械臂各关节角度、位置控制。
本期博客我们从零实现机械臂基础控制，掌握 JointState 消息格式、发布机械臂控制话题，让仿真机械臂在折叠姿态与展开姿态之间循环往复运动，为后续视觉物品抓取打下基础。
一、实验原理
1.1、 ROS2里的机械臂消息包格式
在ROS2中，用于描述机械臂状态的消息格式为：
sensor_msgs::JointState
在官方Wiki页面，对它的格式定义,如下图所示：
具体含义如下：
std_msgs/Header header：消息时间戳、坐标系。 string[] name：关节名称数组。 float64[] position：关节位置数组。 float64[] velocity：关节速度数组。 float64[] effort：关节力矩数组。
上述的后四个成员都是数组，通常每个数组都包含相同个数的成员，这样可以保持一一对应的关系。比如name[0]的关节，它对应角度是position[0]，对应速度是velocity[0]，以此类推。如果某个项目没有数值，比如effort，可以让这个数组的成员个数为零。
1.2、机械臂控制
机器人的手臂，只需要两个关节控制量。一个是机械臂基座的升降高度，另一个就是手爪的指间宽度。如下所示，对应sensor_msgs::JointState消息包成员：
lift：机械臂基座升降高度（单位：m）。 gripper：手爪两指开合间距（单位：m）。
1.3、控制话题
机械臂控制发布话题：
/wpb_home/mani_ctrl
只要向该话题发布 JointState 消息，即可控制 Gazebo 中机械臂运动。
二、编写机械臂控制程序
2.1、新建机械臂功能包 mani_pkg
进入工作空间 src 目录，创建专用功能包，打开终端，输入以下命令：
cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create mani_pkg
2.2、编写机械臂控制源码
在 mani_pkg/src 新建 mani_ctrl.cpp，完整代码如下所示：
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "sensor_msgs/msg/joint_state.hpp"
std::shared_ptr<rclcpp::Node> node;
int main(int argc, char * argv[])
{
// 初始化ROS2
rclcpp::init(argc, argv);
// 创建节点
node = std::make_shared<rclcpp::Node>("mani_ctrl_node");
// 创建发布器，发布机械臂控制话题
auto mani_pub = node->create_publisher<sensor_msgs::msg::JointState>(
"/wpb_home/mani_ctrl",
10
);
// 定义关节消息
sensor_msgs::msg::JointState mani_msg;
// 设置2个关节
mani_msg.name.resize(2);
mani_msg.name[0] = "lift"; // 机械臂升降关节
mani_msg.name[1] = "gripper"; // 夹爪开合关节
mani_msg.position.resize(2);
// 设置循环频率 0.1Hz
rclcpp::Rate loop_rate(0.1);
while (rclcpp::ok())
{
// 姿态1：机械臂折叠，夹爪微张
RCLCPP_WARN(node->get_logger(), "Pose 1: 机械臂折叠");
mani_msg.position[0] = 0.0;
mani_msg.position[1] = 0.01;
mani_pub->publish(mani_msg);
loop_rate.sleep();
// 姿态2：机械臂升起展开，夹爪张开
RCLCPP_WARN(node->get_logger(), "Pose 2: 机械臂升起展开");
mani_msg.position[0] = 1.0;
mani_msg.position[1] = 0.1;
mani_pub->publish(mani_msg);
loop_rate.sleep();
}
rclcpp::shutdown();
return 0;
}
创建 JointState 消息，绑定 lift、gripper 两个关节； 循环切换两组位置参数； 定时发布控制指令，让机械臂往复运动。
2.3、配置 CMakeLists.txt
打开 CMakeLists.txt，追加节点编译配置，全部代码如下：
cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(mani_pkg)
if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif()
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(sensor_msgs REQUIRED)
# 编译可执行文件
add_executable(mani_ctrl src/mani_ctrl.cpp)
ament_target_dependencies(mani_ctrl
rclcpp
sensor_msgs
)
# 安装节点
install(TARGETS
mani_ctrl
DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)
ament_package()
2.4、配置 package.xml
新增机械臂控制的相关依赖，全部代码如下：
<?xml version="1.0"?>
<package format="3">
<name>mani_pkg</name>
<version>0.0.0</version>
<description>ROS2机械臂基础控制功能包</description>
<maintainer email="robot@todo.com">robot</maintainer>
<license>Apache-2.0</license>
<buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>
<depend>rclcpp</depend>
<depend>sensor_msgs</depend>
</package>
三、编译与仿真运行
3.1、编译功能包
打开终端，输入以下指令：
cd ~/ros2_zice
colcon build –packages-select mani_pkg –parallel-workers 1
colcon build –packages-select wpr_simulation2 –parallel-workers 1
source install/setup.bash
3.2、运行过程
启动Gazebo仿真环境
启动 Gazebo，加载机器人与机械臂模型。打开终端，输入以下指令：
cd ~/ros2_zice
source install/setup.bash
ros2 launch wpr_simulation2 wpb_mani.launch.py
如下图所示：
运行机械臂控制节点
新开终端，输入以下指令:
cd ~/ros2_zice
source install/setup.bash
ros2 run mani_pkg mani_ctrl
节点运行后，终端循环打印两种姿态提示信息，同时 Gazebo 仿真窗口中可以清晰观察到机械臂运动规律：机械臂首先保持折叠收拢状态，手爪小幅张开；间隔一段时间后机械臂缓缓抬升、向前完全展开，手爪张开幅度变大；随后自动回落恢复折叠姿态，如此循环往复。如下图所示：
总结
本期实验实现了机械臂两种姿态自动循环切换。
