Mobile manipulation
- Project Name: Brazo Bioloid controlado por ROS con interfaz Arduino
- Authors: Fernando Casado García
- Web of Authors: http://www.fernando.casadogarcia.es
- Dates: September 2013 -
- Degree: Ph.D.
- Tags: MYRAbot, manipulation, arm, Bioloid
- Technology: ROS, c++, Dynamixel, Arduino
- State: WIP
Contents
Brazo Bioloid
El brazo en el que se basa este proyecto es el desarrollado en el proyecto MYRA Robot: Hardware Update , realizado por Carlos Rodríguez Hernández. Los componentes principales de este son:
- Placa arduino mega 2560.
- Circuito integrado 74LS241 (Bufer tri-estado).
- Circuito regulador de tensión.
- 5 servomotores serie Dynamixel AX-12A.
- Piezas de montaje de kit Bioloid.
- Piezas realizadas para pinza y fijación al MYRAbot.
Arduino IDE y rosserial
Para la comunicación e intercambio de información entre arduino y ROS es necesario instalar arduino IDE y rosserial (package de ROS que contiene el stack rosserial_arduino con las librerias para arduino). Comenzaremos instalando el arduino IDE, para lo que ejecutaremos los siguientes comandos en un terminal:
sudo apt-get update
sudo apt-get install arduino arduino-core
sudo apt-get install arduino
Una vez realizada la instalación del software de arduino se procedera a la instalación del package de ROS ejecutando en un terminal el siguiente comando:
sudo apt-get install ros-NUESTRA_VERSIÓN_ROS-rosserial
Instalados arduino IDE y el package rosserial debemos copiar las librerial de stack rosserial_arduino a el sketchbook de arduino, carpeta que se encuentra habitualmente en la carpeta personal, para lo que ejecutaremos en un terminal los siguientes comandos:
roscd rosserial_arduino/libraries
cp -r ros_lib home/”nombre_sesion”/sketchbook/libraries/ros_lib
Creación de un package para nuestros programas
Deberemos tener previamente creado un espacio de trabajo para nuestra versión de ROS. Para poder compilar y enviar nuestros programas a la placa arduino sin tener que pasar por arduino IDE vamos a crear un package llamado “arduino_fer” con las dependencias necesarias para nuestros programas, para ello ejecutaremos los siguientes comandos en un terminal:
cd ~/ros_workspace
roscreate-pkg arduino_fer rosserial_arduino std_msgs
Deberemos sustituir el contenido del fichero CmakeLists.txt, situado en la carpeta del package creado, por el siguiente:
cmake_minimum_required(VERSION 2.4.6)
include($ENV{ROS_ROOT}/core/rosbuild/rosbuild.cmake)
rosbuild_find_ros_package(rosserial_arduino)
include(${rosserial_arduino_PACKAGE_PATH}/cmake_scripts/rosserial.cmake)
Para finalizar la cración del package ejecutaremos los siguientes comandos:
roscd arduino_fer
cmake .
Primer programa (A toda potencia)
El primer programa que vamos a realizar crea un nodo llamado “potencia” que publica un topic llamado “cifra” y está suscrito a un topic llamado “resultado”. Cuando se publique un número en el topic “cifra” lo multiplicará por si mismo y publicará el resultado en el topic “resultado”. El código del programa es el siguiente:
#include <ros.h>
#include <std_msgs/Int16.h>
ros::NodeHandle nh;
int pot;
void potencia( const std_msgs::Int16& cifra){
::pot = cifra.data*cifra.data;
}
ros::Subscriber<std_msgs::Int16> sub("cifra", &potencia );
std_msgs::Int16 res;
ros::Publisher pub("resultado", &res);
void setup()
{
nh.initNode();
nh.subscribe(sub);
nh.advertise(pub);
}
void loop()
{
res.data = ::pot;
pub.publish( &res );
nh.spinOnce();
delay(1000);
}
Para su compilación y envio a la placa arduino es necesario añadir al archivo CmakeLists.txt las siguientes líneas:
set(FIRMWARE_NAME potencia)
set(${FIRMWARE_NAME}_BOARD MODELO_NUESTRA_PLACA) # Modelo placa arduino
set(${FIRMWARE_NAME}_SRCS src/potencia.cpp )
set(${FIRMWARE_NAME}_PORT /dev/ttyACM0) # Puerto serie de subida
generate_ros_firmware(${FIRMWARE_NAME})
Donde se indica el nombre del programa, tipo de placa arduino (uno, atmega328 o mega2560), nombre y ubicación del archivo y puerto serie del PC empleado para la comunicación con la placa. Deberemos ejecutar los siguientes comandos en un terminal:
roscd arduino_fer
make potencia-upload
Para la ejecución del programa se debe lanzar en un terminal el núcleo de ROS, si no se encuentra ya en marcha, ejecutando el siguiente comando:
roscore
En otro terminal se ejecutará el nodo que comunica a ROS con la placa arduino, indicándole el puerto empleado para la comunicación. Para saber el puerto que se está empleando, con la placa arduino conectada al pc a través de su puerto USB, podemos verlo en el menú "Herramientas">"Puerto serie" del software arduino IDE. En nuestro caso es el "ttyACM0":
rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0
Para la publicación de un número en el topic “cifra” se ejecutará en otro terminal el siguiente comando:
rostopic pub cifra std_msgs/Int16 NUMERO_DESEADO --once
Para comprobar que realmente el programa calcula el cuadrado del número publicado en el topic “cifra” podemos ejecutar en otro terminal el siguiente comando para visualizar el topic “resultado”:
rostopic echo resultado
Arduino y servomotores Dinamixel
En Savage Electronics se encuentran las adaptaciones hardware realizadas a la placa arduino mega 2560 para la correcta comunicación con los servomotores Dynamixel AX-12A de ROBOTICS, así como las librerías utilizadas para la programación (DynamixelSerial).
Segundo programa (Muévete)
En este programa simplemente se realiza un prueba de la comunicación entre la placa arduino mega 2560 con un servomotor Dynamixel AX-12A. El programa publica el topic “angulo” con la posición del motor (entero entre 0 y 1023) y está suscrito al topic “giro” del que recibe la posición a la que debe moverse (entero entre 0 y 1023), con una velocidad constante de 128 (entero entre 0 y 1023). El código del programa es el siguiente:
#include <ros.h>
#include <std_msgs/Int16.h>
#include <DynamixelSerial1.h>
ros::NodeHandle nh;
void mover( const std_msgs::Int16& giro){
Dynamixel.moveSpeed(1,giro.data,128);
}
ros::Subscriber<std_msgs::Int16> sub("giro", &mover );
std_msgs::Int16 ang;
ros::Publisher pub("angulo", &ang);
void setup()
{
nh.initNode();
nh.subscribe(sub);
nh.advertise(pub);
Dynamixel.begin(1000000,2);
delay(1000);
}
void loop()
{
int posicion = Dynamixel.readPosition(1);
ang.data = posicion;
pub.publish( &ang );
nh.spinOnce();
delay(10);
}
Para poder compilar y enviar el programa a la placa arduino deberemos emplear el software arduino IDE, ya que empleamos una librería externa al sistema ROS y no nos permite hacerlo usando nuestro package. Una vez transferido el programa a la placa, para probar el programa debemos ejecutar en un terminal el siguiente comando, que inicia el nucleo de ROS:
roscore
También debemos lanzar en otro terminal el nodo de comunicación ROS-arduino, ejecutando el siguiente comando:
rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0
En un nuevo terminal publicaremos en el topic "giro" la posición de destino del servomotor, ejecutando el siguiente comando:
rostopic pub giro std_msgs/Int16 POSICION_DESEADA --once
El servomotor de inmediato comenzará a moverse hasta la posición indicada. Podemos visualizar el valor de posición del servomotor en todo momento ejecutando en otro terminal el siguiente comando:
rostopic echo angulo
Modelo cinemático del brazo
Para el correcto posicionamiento del brazo es necesario obtener las transformaciones geométricas para determinar el ángulo que deben girar los servomotores para alcanzar un punto (cinemática inversa). Al tratarse de un brazo que trabaja en un solo plano con giro (4 articulaciones) es un proceso sencillo que se ha realizado de forma directa, sino se puede recurrir al algoritmo de parametrización Denavit- Hartenberg que permite obtener la cinemática directa y a partir de esta obtener la inversa.
Cinemática inversa
Siguiendo los diagramas planteados y considerando x,y y z como las coordenadas del punto destino, y que la pinza siempre se ha de mantener paralela al plano x-z, las ecuaciones obtenidas para la cinemática inversa son las siguientes:
Teniendo en cuenta los ángulos límite de los servomotores Dynamixel AX-12A y el rango de valores que debemos usar, los valores que debemos pasar a los servomotores de cada articulación son los siguientes:
Se suman 150º al ángulo para situar el 0º coincidente con el eje z.
Se suman 60º al ángulo para situar el 0º coincidente con el eje z.
Se restan 30º al ángulo para situar el 0º coincidente con el eje longitudinal del servomotor.
Se restan 30º al ángulo para situar el 0º coincidente con el eje longitudinal del servomotor.
Para enviar a los servomotores valores dentro del rango de trabajo, se multiplica por 1023 (0x3FF), valor máximo del rango de posiciones del servo, y se divide por 300 (300º), el ángulo total de giro del servomotor.
Espacio de trabajo y limitaciones
Para evitar colisiones del brazo con las diferentes partes del MYRAbot y con sus propios componentes, es necesario fijar unos límites de giro a los servomotores y restringir el acceso a regiones del espacio. Para esta tarea se ha realizado una hoja de calculo con las formulas de la cinemática inversa y se ha representado en unos gráficos las posiciones de los ejes y las articulaciones del brazo en el espacio.
