《ROS机器人编程》第八章_机器人、传感器、电机

2020-09-22

更新！整理出《ROS机器人编程》第八章ppt讲义版，请对照书籍P194-231页学习。

【说明】机器人主要分为硬件和软件。机械、电机、齿轮、电路和传感器被归类为硬件。直接驱动或控制机器人硬件的微控制器级别的固件，以及利用从传感器获得的信息进行识别、制图、导航和动作规划的应用软件均被分类为软件。

【说明】ROS属于应用软件的范畴，根据功能，ROS的功能包被分类为机器人功能包、专为传感器的传感器功能包和专为驱动部的电机功能包。这些功能包由Willow Garage、 ROBOTIS、Yujin Robot和Fetch Robotics等机器人公司提供。或者由Open Robotics (曾经是Opensource Robot Foundation，OSRF)、机器人专业的大学实验室和个人开发者开发并发表自己开发的ROS机器人、传感器和电机的相关功能包。

【说明】如果要选机器人功能包的代表作，那么绝对是下图中的PR2和TurtleBot。其中，PR2 是负责ROS开发的Willow Garage以科研用机器人为目的开发的移动人形机器人。即使现在，PR2功能包还是具有代表性的机器人功能包，因为其他机器人的核心功能包很多还是使用PR2功能包的衍生包。

虽然PR2的通用性和性能非常优秀，但因为价格过高，无法实现刺激和传播ROS 的目的，TurtleBot机器人正是由于这个原因而开发的机器人，旨在普及ROS。第一版 Turtlebot是将基于iRobot公司的扫地机器人Roomba的create作为基础而开发的。而 TurtleBot2是将韩国的服务机器人公司Yujin Robot的iCLEBO的改进版KOBUKI作为移动的基础而开发的。此外，本书将重点介绍的TurtleBot3是由ROBOTIS、Intel和Open Robotics合作开发的一款基于Dynamixel舵机的移动机器人。在后续的第10章里会介绍与TurtleBot有关的机器人功能包的用法，同时会进行对TurtleBot的更详细的说明。

【说明】除了这两种有代表性的机器人之外，还有180多种机器人的功能包也已公开，如图所示。这是以开源形式的ROS功能包公开的机器人数量，再加上机器人相关的公司、研究所、大学和个人使用的机器人的话数量会更多。

如果您要使用的机器人功能包是ROS官方功能包，那么安装方法非常简单。首先，请检查您要使用的机器人功能包是否在ROS Wiki(http://robots.ros.org/)上公开可用，或者您可以使用以下命令在所有ROS功能包列表中找到它。

$ apt-cache search ros-kinetic

【说明】传感器是与机器人无法分离的。有许多研究从传感器数据提供的无数环境信息中提取有意义的信息，或利用这些信息认识环境并传输给机器人。这样的环境信息有位置、空间、天气、声音、惯性、振动、气体、电流量、RFID，物体和外力识别等很多种。该信息被用作机器人执行实际任务的重要数据。

在制作机器人时，通过驱动轮或机器人手臂让机器人移动，且通过智能手机等进行遥控并不意味着开发完成。如果您在这里停下来，只能说您搭建了一个移动的机器。机器人只有在自己认识到周围环境，只提取有意义的信息，并能够计划和做出思考和判断，才能被视为机器人。这就是为什么传感器很重要。

【说明】问题是，如图所示，有太多的传感器可以使用。而在微处理器中以ADC(模拟数字转换器)方式接收数据的传感器是有限的。其中，LDS、3D传感器、相机等传感器有大量需要处理的信息，处理起来需要较高的配置，因此无法用微处理器实现，需要用 PC。因此需要驱动程序，还需要如OpenNI和OpenCV的Point Cloud处理，以及图像处理所需的库。

ROS提供了可以使用上述传感器的驱动程序和库的开发环境。目前，还并不是提供所有的传感器功能包，但传感器功能包正变得越来越多。而且功能相同但通信方式不同的传感器们的用法也趋向于统一。传感器制造商正在积极支持ROS传感器功能包，这将加速 ROS对未来传感器的支持。

【说明】相机的接口并不只有USB。某些相机具有可连接到网络的功能。通常连接到局域网或WiFi，将视频数据以视频流形式传输到网络。这些相机应该被称为网络摄像头。此外，有些摄像机使用FireWire(IEEE 1394接口)进行高速传输，主要用于需要高速传输图像的研究目的。FireWire标准在大多数常见的电路板上无法找到，但它是由苹果公司开发的，因此主要用于苹果产品。

【说明】在本节中，我们来使用Ken Tossell发布的uvc-camera7。它是最常用的USB摄像头功能包。其他相关功能包的用法类似，所以如果您想使用另一个功能包，请检查本功能包的 wiki页面。

【说明】LDS传感器在测量距离时利用激光被物体反射时出现的波长。问题在于这里使用的激光器受控制和价格问题，所以大多数制造商只使用一个激光源。作为参考，价格高达数万美元或更多的Velodyne公司的HDL系列使用的激光器少则16个，多达128个。除此之外大多只使用一个激光器。为了克服这个问题，典型的LDS由一个激光器、一个反射镜和电机组成。当使用LDS时，会听到电机声音，因为它会旋转内部的反射镜，以在水平面内发射激光。测量范围通常是从180度到360度，取决于具体产品。

【说明】最近添加到ROS Wiki中的Motors页面是ROS支持的所有电机和伺服控制器的说明页面。目前有支持PhidgetMotorControl HC、Roboteq AX2550 Motor Controller和 ROBOTIS Dynamixel的功能包。

【说明】Dynamixel系列是由减速箱、控制器、驱动单元和通信单元组成的模块，并且可以向主机反馈位置、速度、温度、负载、电压和电流等物理量。因为它可以通过总线方法连接和控制，从而可以非常简单地设计机器人。除了基本的位置控制之外，还可以使用广泛应用于机器人的速度控制和转矩控制(部分系列)。

【说明】因为有这些丰富的功能，Dynamixel被广泛应用于机器人领域。将Dynamixel应用于机器人的方法有两种:一种是通过U2D2(将在第13章讨论的通信转换设备)将控制命令从计算机传送到舵机的方法，还有一种是直接通过OpenCR(将在第9章讨论)等嵌入式控制器来控制舵机的方法。为了在如此多样的环境中使用Dynamixel，此舵机支持叫做DynamixelSDK20的开发环境。这个开发环境支持三种主要的操作系统(Linux、 Windows和MacOS)且支持C、C++、C#、Python、Java、MATLAB和LabVIEW 等多种编程语言。此外还支持Arduino和ROS功能包，因此在ROS中也可以很容易地使用Dynamixel。支持Dynamixel的典型功能包是dynamixel_motor、arbotix和 dynamixel_workbench21。前两个是社区用户提供的功能包，后者是由ROBOTIS官方提供的功能包。dynamixel_workbench使用官方DynamixelSDK，通过ROS中的 GUI工具支持电机设置和位置/速度/转矩控制。本书中将要详细讨论的TurtleBot3也将 Dynamixel作为舵机来使用。有关这些电机的说明，请参见第9章“嵌入式系统”和第10 章“移动机器人”。