OCS2 入门教程（四）- 机器人示例

系列文章目录

 

---

前言

 

OCS2 包含多个机器人示例。我们在此简要讨论每个示例的主要特点。

System	State Dim.	Input Dim.	Constrained	Caching
Double Integrator	2	1	No	No
Cartpole	4	1	Yes	No
Ballbot	10	3	No	No
Quadrotor	12	4	No	No
Mobile Manipulator	6-13	6-13	Yes	Yes / No
Legged Robot	24	24	Yes	No

对于所有这些机器人示例，有两个独立的软件包：

• ocs2_<robot>： 提供机器人专用 MPC 实现库。
• ocs2_<robot>_ros： 用 ROS 封装 MPC 实现，以定义 ROS 节点。

 

---

 

一、Double Integrator

        双积分器示例是我们最简单的问题。它模拟了一个沿 x 方向移动的一维点质量。模型是线性的，成本函数是二次函数。目标点通过参考管理器模块设置为二次成本。

# Build the example
catkin build ocs2_double_integrator_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash# Launch the example
roslaunch ocs2_double_integrator_ros double_integrator.launch

 

二、Cartpole 

        推车杆的例子是一个典型的控制问题，一根杆子通过一个无驱动的接头连接到一辆小车上。小车沿着无摩擦轨道移动。目标是在遵守输入限制的前提下，通过沿轨道加速或减速小车，使摆锤从右下方位置开始摆动起来并保持平衡。 

# Build the example
catkin build ocs2_cartpole_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash# Launch the example
roslaunch ocs2_cartpole_ros cartpole.launch

 

三、Ballbot

        Ballbot 是一个 5DoF 系统。该平台是一个扭矩控制的全向机器人，通过三个全向轮在一个球上保持平衡。该系统具有非线性动力学特性，并表现出非最小相位行为。系统动力学以 Ballbot 的前向动力学为基础，通过自动微分计算流量图的线性近似值。任务目标是根据用户指令控制机器人的 XY 位置和偏航。 

# Build the example
catkin build ocs2_ballbot_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash# Launch the example
roslaunch ocs2_ballbot_ros ballbot.launch

 

四、Quadrotor

        四旋翼机器人示例是一个 6DoF 系统。平台建模为浮动基座、刚体动力学、三维力矩和机器人法线方向的一维力控制。系统动力学及其导数均由代码生成。本示例旨在跟踪用户指令，该指令定义为四旋翼机器人的三维位置和偏航。 

# Build the example
catkin build ocs2_quadrotor_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash# Launch the example
roslaunch ocs2_quadrotor_ros quadrotor.launch

 

五、Mobile Manipulator

        移动机械手示例是一个全运动学问题。模型包括一个 6DOF 机械臂和移动底座的 2D 位置和航向。控制输入为机械臂的 6 个关节速度以及底座的前进速度和旋转速度。任务目标是跟踪 6DoF 末端执行器姿势。关节位置和速度限制包含在最优控制问题的约束条件中。避免自碰撞是根据 URDF 模型中的碰撞体和避免碰撞约束来实现的（参见 ocs2_self_collision）。

注：本例实现了 MPC 的缓存和非缓存变体，可通过配置文件中的 usePreComputation 标志进行选择。

        系统模型通过解析 URDF 和任务文件确定。目前支持以下系统模型：

• 默认（值：0）： 通过解析 URDF 获得的默认系统模型。
• 驱动假轮距（值：1）： 在从 URDF 解析的模型中添加一个假 XY-Yaw 关节，该关节在整体动力学约束（速度控制）下被驱动。这是一个由 SE(2) 控制底座的移动机械手模型。
• Unactuated 假浮动基座（值：2）： 在从 URDF 解析出的模型中添加一个未驱动的 XYZ-RPY 假关节。
• 激活的虚拟浮动基点（值：3）： 为从 URDF 中解析出的模型添加一个完全致动（速度控制）的 XYZ-RPY 假关节。这是一个用 SE(3) 控制基座的移动机械手模型。

要玩转不同的模型类型，可以更改 task.info 文件中的模型信息。

 

# Build the example
catkin build ocs2_mobile_manipulator_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash

对于几种常见的机器人机械手，我们提供了使用 OCS2 运行它们的示例。这里提供了生成机器人模型文件（URDF）的步骤。

在其中一些示例中，我们通过 task.info 文件中的 model_information.removeJoints 属性固定了 URDF 中的某些关节（如抓手手指关节或车轮关节）。这样就可以简化所构建的 Pinocchio 模型。仅出于 rviz 可视化目的，task.info 文件中 removeJoints 属性下的关节将通过虚拟仿真节点发布在零关节位置。

警告

对于这些示例，可能需要对 MPC 进行额外调整才能在硬件上运行。此外，对于某些示例，需要将碰撞网格简化为原始形状（如圆柱和方框），以便避免碰撞。

我们欢迎社会各界为这些用例做出贡献。

5.1 Mabi-Mobile

roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_mabi_mobile.launch

 

5.2 Kinova Jaco2 

# For 6-Dof
roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_kinova_j2n6.launch
# For 7-Dof
roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_kinova_j2n7.launch

5.3 Franka Panda 

roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_franka.launch

 

5.4 Willow Garage PR2 

roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_pr2.launch

 

5.5 Clearpath Ridgeback with UR-5

roslaunch ocs2_mobile_manipulator_ros manipulator_ridgeback_ur5.launch

 

六、Legged Robot  

        腿部机器人示例是一个开关系统问题。它采用 MPC 方法对四足机器人 Anymal 进行运动控制。机器人的步态由用户定义，并可在执行过程中通过解算器同步模块（步态接收器）进行修改。模式序列和目标轨迹通过参考管理器模块（SwitchedModelReferenceManager）进行定义。成本函数为二次罚则，用于跟踪指令的基座位置和偏航，并将机器人的重量平均分配到站立脚上。该问题有几个取决于模式的约束条件，例如摆动脚的力为零，站立脚的速度为零。在接触力上强制执行摩擦锥，为避免脚擦伤，摆动脚在 Z 方向上跟踪预定义的运动。

        系统动力学有两种建模方式，可从配置文件中选择：

1.  单刚体动力学（SRBD）： 该模型假定系统具有恒定惯性，与关节位置无关。
2.  全中心动力学（FCD）： 该模型使用中心动力学，包含机器人四肢的运动。与 SRBD 相似，它考虑了机器人的全运动学。

# Build the example
catkin build ocs2_legged_robot_ros
# Source workspace
# Do not forget to change <...> parts
source <directory_to_ws>/<catkin_ws_name>/devel/setup.bash# Launch the example for DDP
roslaunch ocs2_legged_robot_ros legged_robot_ddp.launch
# OR launch the example for SQP
roslaunch ocs2_legged_robot_ros legged_robot_sqp.launch