franka_ros2

备注

franka_ros2 不支持 Windows。

franka_ros2存储库 包含 libfranka 的 ROS 2 集成。

小心

franka_ros2 目前正在快速开发中，预计会出现重大变化。欢迎在 GitHub 上报告错误。

安装

请参阅 README.md

MoveIt

要查看是否一切正常，可以尝试在机器人上运行 MoveIt 示例：

ros2 launch franka_fr3_moveit_config moveit.launch.py robot_ip:=<fci-ip>

然后激活 MotionPlanning 在 RViz 中的显示。

如果您没有机器人，仍然可以通过在虚拟硬件上运行来测试设置：

ros2 launch franka_fr3_moveit_config moveit.launch.py robot_ip:=dont-care use_fake_hardware:=true

等待直到可以在终端内看到来自 MoveIt 的绿色消息 You can start planning now! 。然后取消框选 PlanningScene 并再次框选打开。之后框选打开 MotionPlanning。

示例控制器

这个 repo 附带了一些位于 franka_example_controllers 包中的示例控制器。

默认情况下，使用夹爪执行以下 launch 文件。如果没有连接夹爪，则可以在 launch 文件中使用 load_gripper:=false.

移动到起始点

该控制器将机器人移动到其初始配置。

ros2 launch franka_bringup move_to_start_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

重力补偿

这是我们拥有的最简单的控制器，也是编写自己的控制器的一个很好的起点。它将零作为扭矩命令发送到所有关节，这意味着机器人只补偿自己的重量。

ros2 launch franka_bringup gravity_compensation_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

关节阻抗示例

该示例以非常柔性的周期性移动方式移动关节 4 和 5。可以尝试在运行时移动关节。

ros2 launch franka_bringup joint_impedance_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

带IK的关节阻抗示例

该示例使用 MoveIt 服务中的 LMA-Orocos 解算器来计算所需位姿的关节位置。所需位姿是周期性地沿 x 和 z 方向移动末端执行器。您可以在 franka_fr3_moveit_config 包 kinematics.yaml 文件中更改运动学解算器。

ros2 launch franka_bringup joint_impedance_with_ik_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

模型示例控制器

这是一个只读控制器，它会打印相对于基准框架的科里奥利力矢量、重力矢量、Joint4 的姿态矩阵、Joint4 主体雅可比矩阵和末端执行器雅可比矩阵。

ros2 launch franka_bringup model_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

关节位置示例

此示例向机器人发送周期性位置命令。

重要

位置轨迹需要从机器人的初始位置开始。

要读取机器人的起始位置，您可以在开始发送任何命令之前读取 initial_joint_position. state_interface值。

if (initialization_flag_) {
  for (size_t i = 0; i < 7; ++i) {
    initial_q_.at(i) = state_interface[i].get_value();
  }
  initialization_flag_ = false;
}

ros2 launch franka_bringup joint_position_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

关节速度示例

此示例向机器人的第 4 和第 5 关节发送周期性速度命令。

ros2 launch franka_bringup joint_velocity_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

笛卡尔位姿示例

此示例使用 CartesianPose 接口向机器人发送周期性位姿命令。

ros2 launch franka_bringup cartesian_pose_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

笛卡尔方向示例

此示例使用 CartesianOrientation 接口发送围绕机器人末端执行器 X 轴的周期性方向命令。

ros2 launch franka_bringup cartesian_orientation_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

笛卡尔位姿肘部示例

此示例发送周期性的肘部命令，同时保持末端执行器的位姿恒定。

ros2 launch franka_bringup cartesian_elbow_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

笛卡尔速度示例

此示例使用 CartesianVelocity 接口向机器人发送周期性速度命令。

ros2 launch franka_bringup cartesian_velocity_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

笛卡尔肘部示例

此示例使用 CartesianElbow 接口向机器人发送周期性肘部命令，同时保持末端执行器速度恒定。

ros2 launch franka_bringup elbow_example_controller.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip>

包说明

本节包含对每个包的作用的更详细描述。一般来说，包结构会尽量遵守 此处 提出的结构。

franka_bringup

该软件包包含示例的 launch 文件以及基本的 franka.launch.py launch 文件，可用于在没有任何控制器的情况下启动机器人。

当启动机器人时：

ros2 launch franka_bringup franka.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip> use_rviz:=true

除了 joint_state_broadcaster 之外，没有任何控制器在运行。然而，与机器人的连接仍然被建立，并且当前机器人位姿可在 RViz 中可视化。在这种模式下，当用户按下 stop 按钮时，机器人可以被示教。但是，一旦使用了 effort_command_interface 的控制器被启动，机器人将使用来自 libfranka 的扭矩接口。例如，可以通过运行下面的命令启动 gravity_compensation_example_controller ：

ros2 control load_controller --set-state active  gravity_compensation_example_controller

这相当于运行 重力补偿 中提到的 launch 文件 gravity_compensation_example_controller.launch.py。

当控制器通过使用以下命令被停止时：

ros2 control set_controller_state gravity_compensation_example_controller inactive

机器人将停止扭矩控制并仅通过 FCI 发送其当前状态。

现在可以选择再次启动同一个控制器通过：

ros2 control set_controller_state gravity_compensation_example_controller active

或加载并启动另一个：

ros2 control load_controller --set-state active joint_impedance_example_controller

franka_description

警告

从 0.1.14 版本开始，franka_description 包不再在 franka_ros2 存储库中提供。它可在单独的存储库 Franka Description 中找到。

该软件包包含用于可视化机器人的 xacro 文件和 meshes。此外，它包含一个 launch 文件，可以在不访问真实机器人的情况下可视化机器人模型：

ros2 launch franka_description visualize_franka.launch.py load_gripper:=<true|false>

franka_example_controllers

这个包包含一些控制器，可以看作是如何在 ROS 2 中编写控制器的示例。目前，控制器只能访问测量的关节位置和关节速度。基于此信息，控制器可以发送扭矩命令。目前无法使用例如关节位置接口等其他接口。

franka_gripper

此包包含 franka_gripper_node 用于与 Franka Hand 交互。

franka_gripper_node 提供以下操作：

  • homing - 将夹爪归零并根据已安装的手指更新最大宽度。

  • move - 以定义的速度移动到目标宽度。

  • grasp - 尝试在以给定速度闭合的同时以所期望的力在所期望的宽度抓取。如果夹爪两指之间的距离 d 处于 width - epsilon.inner < d < width + epsilon.outer 的范围，则该操作是成功的。

  • gripper_action - 一个 MoveIt 的特殊抓取 action。

此外，还有一项 stop service 可以中止抓取 action 并停止抓取。

使用以下 launch 文件启动夹爪：

ros2 launch franka_gripper gripper.launch.py robot_ip:=<fci-ip>

您现在可以在另一个的tab中执行homing并发送抓取命令。

ros2 action send_goal /fr3_gripper/homing franka_msgs/action/Homing {}
ros2 action send_goal -f /fr3_gripper/grasp franka_msgs/action/Grasp "{width: 0.00, speed: 0.03, force: 50}"

默认情况下，内部和外部容差(epsilon)为 0.005 米。还可以显式设置容差：

ros2 action send_goal -f /fr3_gripper/grasp franka_msgs/action/Grasp "{width: 0.00, speed: 0.03, force: 50, epsilon: {inner: 0.01, outer: 0.01}}"

要停止抓取，可以使用 stop service。

ros2 service call /fr3_gripper/stop std_srvs/srv/Trigger {}

franka_hardware

重要

自 0.1.14 版本起的重大变化： franka_hardware robot_state 和 robot_model 将以 arm_id 作为前缀。

  • panda/robot_model  -> ${arm_id}/robot_model

  • panda/robot_state  -> ${arm_id}/robot_state

状态和命令接口的命名没有变化。它们以 URDF 中的关节名称作为前缀。

该软件包包含 ros2_control 所需的 franka_hardware 插件。该插件从机器人的 URDF 加载，并通过机器人描述传递给控制器​​管理器。它为每个关节提供：

  • 一个包含测量的关节位置的 position state interface。

  • 一个包含测量的关节速度的 velocity state interface。

  • 一个包含测量的连杆侧关节扭矩的 effort state interface

  • 一个包含机器人初始关节位置的 initial_position state interface。

  • 一个包含期望的无重力的关节扭矩的 effort command interface 。

  • 一个包含期望的关节位置的 position command interface。

  • 一个包含期望的关节速度的 velocity command interface。

此外

  • 一个包含机器人状态信息的 franka_robot_state ， franka_robot_state 。

  • 一个包含指向模型对象的指针的 ranka_robot_model_interface 。

重要

franka_robot_state 和 franka_robot_model_interface 状态接口不应直接从硬件状态接口使用。相反，它们应该由 franka_semantic_components 接口使用。

机器人的 IP 通过来自 URDF 的参数读取。

franka_semantic_components

该包包含franka_robot_model、franka_robot_state和cartesian命令类。这些类用于转换franka_robot_model对象和franka_robot_state对象，它们以双指针形式存储在hardware_state_interface中。

有关如何使用这些类的更多参考： Franka Robot State Broadcaster 和 Franka 示例控制器(model_example_controller)

  • 笛卡尔位姿接口：

此接口用于使用借用的命令接口向机器人发送笛卡尔位姿命令。FrankaSemanticComponentInterface 类负责处理借用的命令接口和状态接口。在启动笛卡尔位姿接口时，用户需要向构造函数传递一个布尔标志，以指示该接口是否用于肘部。

auto is_elbow_active = false;
CartesianPoseInterface cartesian_pose_interface(is_elbow_active);

该接口允许用户读取由franka hardware接口设置的当前位姿命令接口值。

std::array<double, 16> pose;
pose = cartesian_pose_interface.getInitialPoseMatrix();

还可以读取 Eigen 格式的四元数和平移值。

Eigen::Quaterniond quaternion;
Eigen::Vector3d translation;
std::tie(quaternion, translation) = cartesian_pose_interface.getInitialOrientationAndTranslation();

设置好笛卡尔接口后，您需要在控制器中 assign_loaned_command_interfaces 和 assign_loaned_state_interfaces 。这需要在控制器的 on_activate() 函数中完成。示例可以在 assign loaned comamand interface example 中找到。

cartesian_pose_interface.assign_loaned_command_interfaces(command_interfaces_);
cartesian_pose_interface.assign_loaned_state_interfaces(state_interfaces_);

在控制器的更新功能中，您可以向机器人发送位姿命令。

std::array<double, 16> pose;
pose = {1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0.5, 0, 0.5, 1};
cartesian_pose_interface.setCommanded(pose);

或者您可以以 Eigen 格式发送四元数、平移值。

Eigen::Quaterniond quaternion(1, 0, 0, 0);
Eigen::Vector3d translation(0.5, 0, 0.5);
cartesian_pose_interface.setCommand(quaternion, translation);

  • 笛卡尔速度接口：

此接口用于使用借用的命令接口向机器人发送笛卡尔速度命令。FrankaSemanticComponentInterface 类负责处理借用的命令接口和状态接口。

auto is_elbow_active = false;
CartesianVelocityInterface cartesian_velocity_interface(is_elbow_active);

要将速度命令发送给机器人，您需要在自定义控制器中assign_loaned_command_interface。

cartesian_velocity_interface.assign_loaned_command_interface(command_interfaces_);

在控制器的更新功能中，您可以向机器人发送笛卡尔速度命令。

std::array<double, 6> cartesian_velocity;
cartesian_velocity = {0, 0, 0, 0, 0, 0.1};
cartesian_velocity_interface.setCommand(cartesian_velocity);

franka_robot_state_broadcaster

此软件包包含只读的 franka_robot_state_broadcaster 控制器。它将 franka_robot_state 主题发布到名为 /franka_robot_state_broadcaster/robot_state 的主题。此控制器节点由 franka_bringup 中的 franka_launch.py​​ 生成。因此，所有包含 franka_launch.py​​ 的示例都会发布 robot_state 主题。

franka_fr3_moveit_config

此包包含 MoveIt2 的配置。有一个名为 panda_manipulator 的新移动规划组 ，其尖端位于夹爪的指尖，并且其 Z 轴旋转了 -45 度， 因此 X 轴现在朝前，使其更易于使用。移动组 panda_arm 仍可用于向后兼容。新的应用程序应该使用新的 panda_manipulator 移动组替换。

_images/move-groups.png

旧的和新的移动规划组的可视化

franka_msgs

此包包含不同夹爪动作和机器人状态消息的定义。

joint_effort_trajectory_controller

此包包含经过修改的 joint_trajectory_controller，可以使用 franka_hardware::FrankaHardwareInterface 的扭矩接口。它基于此 Pull request 。

备注

由于修复程序已在 ros2_controllers 主分支中可用，因此该包将很快被删除。一旦将其反向移植到 Humble，它将从 franka_ros2 存储库中删除。

franka_gazebo

重要

franka_description 最低版本要求为 0.3.0。你可以从 https://github.com/frankaemika/franka_description 克隆 franka_description 包。

将 Franka ROS 2 与 Gazebo 仿真器集成的项目。

启动 RVIZ + Gazebo

启动一个生成 RVIZ 和 Gazebo 来显示机器人的示例：

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py

如果要显示另一个机器人，可以定义arm_id：

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py arm_id:=fp3

如果您想启动含有 franka_hand 的仿真：

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

使用 Gazebo 的关节速度控制示例

开始之前，请确保构建了 franka_example_controllers 和 franka_description 包。 franka_description 的最低版本必须是 0.3.0。

colcon build --packages-select franka_example_controllers

现在您可以使用 Gazebo 仿真器启动速度示例。

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_velocity_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

请记住，夹爪关节与关节速度控制器存在bug。如果您有兴趣控制夹爪，请使用关节位置接口。

使用 Gazebo 的关节位置控制示例

要运行关节位置控制示例，您需要安装了在关节速度控制部分列出所需的软件。

然后您可以使用以下命令运行。

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_position_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

使用 Gazebo 的关节阻抗控制示例

对于运行扭矩示例。您必须编译位于 franka_gazebo 下的 franka_ign_ros2_control 包。您可以使用以下命令编译 franka_ign_ros2_control 。

colcon build --packages-select franka_ign_ros2_control

然后source你的工作区。

source install/setup.sh

然后您就可以运行阻抗控制示例了。

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_impedance_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

故障排除

如果您遇到 Gazebo 找不到模型文件的情况，请尝试包含工作区。例如:

export GZ_SIM_RESOURCE_PATH=${GZ_SIM_RESOURCE_PATH}:/workspaces/src/

franka_ros 和 franka_ros2 的区别

本节概述了 franka_ros 和 franka_ros2 之间的基本变化。

franka_gripper

  • 所有 topics和 actions 之前都以 franka_gripper 作为前缀。此前缀已重命名为 panda_gripper，以便在未来启用所有前缀都基于 arm_id 的工作流程，从而轻松启用多臂设置。

  • 该 stop action 现在是一个 service action，因为它不可抢占。

  • 所有 actions（除了 gripper_action）都以当前夹爪宽度作为反馈。

franka_visualization

这个包已经不存在了。但是， franka_description 提供了一个launch文件来可视化机器人模型，而无需连接到机器人

franka_control

这个包已经不存在了。与机器人的连接由 franka_hardware 包中的硬件插件提供。它提供的 actions 和 services 目前未出现在 franka_ros2 中。

编写控制器

与 franka_ros 相比我们目前提供了简化版的控制器接口：

  • Joint positions - 关节位置

  • Joint velocities - 关节速度

  • Measured torques - 测量扭矩

  • Franka robot state - Franka 机器人状态

  • Franka robot model - Franka 机器人模型

重要

Franka 机器人状态通过 franka_robot_state_broadcaster 包发布到名为 /franka_robot_state_broadcaster/robot_state 的主题。

重要

建议通过 franka_semantic_components 类使用 Franka robot state 和 Franka robot model。它们作为双指针存储在 state_interface 中，并转换回 franka_semantic_component 类中的原始对象。

可以在 franka_example_controllers 包中找到使用 franka_model 的示例：model_example_controller 。

您可以基于 franka_example_controllers 之一来构建自己的控制器。要计算机器人的运动学和动力学，可以在 KDL 等库中使用机器人的关节状态和 URDF（其中还有一个可用的 ROS 2 包）。

非实时机器人参数设置

非实时机器人参数设置可以通过 ROS 2 服务进行。它们在机器人硬件初始化后发布。

服务名称如下：

* /service_server/set_cartesian_stiffness
* /service_server/set_force_torque_collision_behavior
* /service_server/set_full_collision_behavior
* /service_server/set_joint_stiffness
* /service_server/set_load
* /service_server/set_parameters
* /service_server/set_parameters_atomically
* /service_server/set_stiffness_frame
* /service_server/set_tcp_frame

服务消息描述如下：

  • franka_msgs::srv::SetJointStiffness 指定内部控制器的关节刚度（阻尼自动从刚度得出）。

  • franka_msgs::srv::SetCartesianStiffness 指定内部控制器的笛卡尔刚度（阻尼自动从刚度得出）。

  • franka_msgs::srv::SetTCPFrame 指定从 <arm_id>_EE（末端执行器）到 <arm_id>_NE（标称末端执行器）坐标系的转换。从法兰到末端执行器坐标系的转换分为两个转换：<arm_id>_EE 到 <arm_id>_NE 坐标系和 <arm_id>_NE 到 <arm_id>_link8 坐标系。从 <arm_id>_NE 到 <arm_id>_link8 坐标系的转换只能通过管理员界面进行设置。

  • franka_msgs::srv::SetStiffnessFrame 指定从 <arm_id>_K 到 <arm_id>_EE 框架的转换。

  • franka_msgs::srv::SetForceTorqueCollisionBehavior 设置外部笛卡尔力旋量的阈值来配置碰撞反射。

  • franka_msgs::srv::SetFullCollisionBehavior 设置笛卡尔和关节层的外力阈值来配置碰撞反射。

  • franka_msgs::srv::SetLoad 设置外部负载来补偿（例如抓取的物体）。

启动 franka_bringup/franka.launch.py​​ 文件来初始化机器人硬件：

ros2 launch franka_bringup franka.launch.py robot_ip:=<fci-ip>

这是一个简单的例子：

ros2 service call /service_server/set_joint_stif
fness franka_msgs/srv/SetJointStiffness "{joint_stiffness: [1000.0, 1000.0, 10
00.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0]}"

重要

非实时参数设置只能在机器人硬件处于 idle(空闲) 模式时进行。如果控制器处于活动状态并声明命令接口，这将使机器人处于 move(移动) 模式。在 move(移动) 模式下，无法进行非实时参数设置。

重要

<arm_id>_EE 坐标系表示可配置末端执行器坐标系的一部分，可在运行时通过 franka_ros 进行调整。<arm_id>_K 坐标系标记内部笛卡尔阻抗的中心。它还可用作外部力旋量的参考坐标系。 <arm_id>_EE 和 <arm_id>_K 都不包含在 URDF 中，因为它们可以在运行时更改 。默认情况下，<arm_id> 设置为 “panda”。

_images/frames.svg

末端执行器坐标系概览。

非实时 ROS 2 操作

非实时 ROS 2 操作可以通过 ActionServer 完成。以下操作可用：

  • /action_server/error_recovery - 从机器人错误中自动恢复。

使用的消息是：

  • franka_msgs::action::ErrorRecovery - 没有参数。

使用示例：

ros2 action send_goal /action_server/error_recovery franka_msgs/action/ErrorRecovery {}

已知的问题

  • 当使用 fake_hardware 和 MoveIt 时，需要一些时间直到默认位置被应用。