ROS+TMC4671實現機器人控制系統快速開發

曾敏

開發機器人硬件時面臨的挑戰之一是處理與電機的通信，以及根據實時生成的軌跡向其發送命令。由于接受軌跡的電機應遵守時間限制，所以電機驅動器和控制器之間的無縫通信變得至關重要。此外，控制器還應從電機接收最新的關節狀態(位置、速度、力)信息，從而能夠驗證軌跡執行情況。然后剩下的最后一項挑戰是實際生成軌跡并將其發送給電機驅動器。

為了滿足這些要求，ROS(機器人操作系統)框架為我們提供了ROS-control和ROS-Moveit等多款工具。ROS (機器人操作系統)是一種軟件框架，實施了最先進的算法和工具，能夠以最低的工作量簡化機器人硬件和軟件開發。

控制關節作動器的方法可能有多種，例如指定關節位置、關節速度或關節作用力，完全依賴于應用所需的控制水平。由于速度和扭矩控制環路等所有低級處理都是在驅動硬件內執行的，如果關節位置直接用于命令執行器，事情就變得比較簡單。但是，如果使用關節或關節作用力命令執行器，那么就必須通過運行命令設備上的控制環路來生成位置接口，在我們的例子中為運行ROS control實例的linux機器。

ROS-CONTROL

ROS-control是一個ROS package，能夠與以上所述的多種硬件實例對接。為了實現以上目的，ROS-control提供對控制環路實現的抽象表示，從而可以控制任意電機或執行器，而不必考慮其硬件接口。

根據官方文件，ROS-control可原生支持4種類型的硬件接口：

1.關節命令接口

• 作用力關節接口
• 速度關節接口
• 位置關節接口
  

2.關節狀態接口

• 通過下圖能夠很好地理解該接口。
  

【ROS硬件接口存儲器概念圖。來源：ros_control】

從圖中可以看出，ROS control使用存儲器位置與執行器及電機通信。例如，如果必須使用位置接口命令電機，ROS control只需在存儲器位置“pos_cmd_”寫入位置要求值，該值將被通過電機的通信接口傳輸到電機。以帶有Landungsbrücke的TMC4671評估套件為例，這些接口可以是RS232、USB串口或RN171XV/RN42XV無線模塊。類似地，對于速度和作用力接口，要求值也被寫入到預先定義的相應存儲器位置。現在，剩下的問題是，如何從電機讀取關節狀態。與關節命令接口類似，關節值被讀入到存儲器位置“pos_”、“vel_”和“eff_”。現在，只需以一定的間隔更新這些存儲器位置，即可命令和讀取關節接口。利用以下的代碼片段很容易解釋這一過程：

class trinamic: public hardware_interface::RobotHW

{

public:

trinamic();

void read();

void write();

};

這里，可利用構造函數初始化，比如，通信接口(在我們使用Landungsbrücke的實現中為串口)。更進一步，在循環中定期調用trinamic::read()和trinamic::write()函數，從而以固定間隔更新存儲器位置。

ROS控制器

硬件接口啟動并運行后，我們可以生成許多控制器之一，例如position_controllers、velocity_controllers、joint_state_controller、joint_trajectory_controller。這些控制器僅僅是硬件接口作為ROS topics的抽象表示。如上所述，這里可以使用速度關節接口啟動position_controller，使控制環路在主機上運行。此外，joint_trajectory_controller兼容所有類型的關節命令接口。值得注意的是，我們應始終檢查沖突，確保沒有兩個控制器同時訪問相同的硬件接口。

建立ROS CONTROL和TMC4671之間的通信

得益于TMCL API，利用Landungsbrücke可以毫不費力地建立ROS和TMC4671之間的通信。如上所述，通過USB串口建立通信，支持命令位置(因為我們正在建立硬件接口)和傳輸關節位置。Landungsbrücke接收到該命令位置后，通過SPI將該值寫入到寄存器0x68, PID_POSITION_TARGET。此外，從寄存器0x6B, PID_POSITION_ACTUAL獲取當前位置并通過USB串口傳輸。由于所有這些值都是32位有符號整數，數據被編組為4個單字節無符號整數進行發送和接收。

如何設置

硬件伺服控制芯片TMC4671配置過。最初利用TMCL-IDE根據電機設置TMC4671，具體過程說明請觀看視頻。更新在ROS_control.c中的init_motor()函數中從IDE接收的寄存器設置。現在，在任意工作區下載ROSpackage，并利用啟動文件啟動硬件接口。可以隨啟動文件中的ROS control節點生成任意兼容的ROS控制器。可在controller.yaml中配置控制器。使用TMC4671進行位置控制時，最重要的部分是調節速度和位置控制環路的PI增益。可使用寄存器0x58和0x5A手動調節這些環路。但強烈建議不要這么做。

參考

1. S.Chitta, E. Marder-Eppstein, W. Meeussen, V. Pradeep, A. RodríguezTsouroukdissian, J. Bohren, D. Coleman, B. Magyar, G. Raiola, M. Lüdtke and E. Fernandez Perdomo

• “ros_control: A generic and simple control framework for ROS”