内容概要 TF 概念 TF 应用

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准阁蜜汲
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2 内容概要 TF 概念 TF 应用

3 什么是 TF 机器人系统通常具有随着时间的推移而改变的许多 3D 坐标系, 例如大地坐标, 基坐标, 工具坐标 ( 夹持器 ), 工件坐标 ( 夹持目标 ) 等 tf2 随时间跟踪所有这些坐标

5 两个小示例工业机器人移动机器人

6 基坐标系基坐标系在机器人基座中有相应的零点, 这使固定安装的机器人的移动具有可预测性因此它对于将机器人从一个位置移动到另一个位置很有帮助 ABB 工业机器人

7 大地坐标系大地坐标系在工作单元或工作站中的固定位置有其相应的零点这有助于处理若干个机器人或由外轴移动的机器人. 在默认情况下, 大地坐标系与基坐标系是一致的 A: 机器人 1 的基坐标系 B: 大地坐标系 C: 机器人 2 的基坐标系 ABB 工业机器人

8 工具坐标系工具坐标系将工具中心点设为零位, 由此定义工具的位置和方向, 工具坐标系中心缩写为 TCP (Tool Center Point) ABB 工业机器人

9 工件坐标系工件坐标系是拥有特定附加属性的坐标系它主要用于简化编程, 工件坐标系拥有两个框架 : 用户框架 ( 与大地基座相关 ) 和工件框架 ( 与用户框架相关 ) A: 用户框架 B: 目标框架 1 C: 目标框架 2 C A B ABB 工业机器人

10 线性运动模式线性运动即控制机器人 TCP 沿着指定的参考坐标系的坐标轴方向进行移动, 在运动过程中工具的姿态不变, 常用于空间范围内移动机器人 TCP 位置

11 重定位运动模式一些特定情况下我们需要重新定位工具方向, 使其与工件保持特定的角度, 以便获得最佳效果, 例如在焊接切割铣削等应用当将工具中心点微调至特定位置后, 在大多数情况下需要重新定位工具方向, 定位完成后, 将继续以线性动作进行微动控制, 以完成路径和所需操作

12 多机器人系统编队

13 TF2

14 TF2 增加 /tf_static 主题, 提高效率独立核心, 不依赖 ROS 通信新 API 接口更好的支持 Python, 核心库仍是 C++ 响应查询模式不再支持 tf_prefix

15 思考 1. 如何让一个机器人及时跟随另一个机器人的轨迹? 2. 如何让一个机器人及时跟随另一个机器人的轨迹并且保持一段距离? 静态或动态 3. 如何让一个机器人跟随另一个机器人前几秒走过的轨迹?

16 运行示例在终端输入下面命令 : $ roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo.launch 选择当前终端, 并通过键盘上下左右键控制运动

17 TF2 工具 view_frames 是一个图形调试工具, 可以创建当前 tf2 变换的 PDF 图形 $ rosrun tf2_tools view_frames.py 如果需要在完成后查看 tf2,ubuntu 系统上的典型用法如下 : $ evince frames.pdf

18 TF2 工具三个坐标系 :1 世界的坐标系 ( 父节点 ) 2 Turtle 1 的坐标系 ( 子节点 1)3 Turtle 2 的坐标系 ( 子节点 2)

19 tf_echo tf_echo 生成通过 ROS 广播的任何两个坐标之间的变换关系 $ rosrun tf tf_echo [reference_frame] [target_frame] $ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

20 Rviz 与 TF2 rviz 是一个可视化工具, 可用于查看 tf2 坐标使用 rviz 的 turtle 坐标命令如下 :$ rosrun rviz rviz d `rospack find turtle_tf2` /rviz/turtle_rviz.rviz

21 TF2 原理解析发布 turtle 的坐标 (broadcaster) 计算 turtle 发布的坐标 (listener) 对比现在坐标的差异并移动 turtle 去跟随另一只

22 TF2 原理解析 launch 启动四个节点 turtlesim_node (/sim) 能够生成乌龟和发布 pose teleop (/teleop) 键盘控制 turtle1_tf2_broadcaster turtle2_tf2_broadcaster 通过主题 /turtle1/cmd_vel 来发布消息通过主题 /turtle*/pose 来发布位置改变的消息

23 TF2 原理解析主要通过 turtle_tf2_broadcaster 订阅位置改变消息并通过 tf2 主题发布然后 listener 来订阅 tf2 主题计算出位置改变消息并将消息通过主题 /turtle2/cmd_vel 发送给 turtuer2 其中重点是位置转换使用 tf2

24 添加新坐标定义了一个新的 frame 名称为 carrot1, 它的父坐标是 turtle1, 距离它父坐标是在 y 轴即在左侧 2 米左右父那么 turtle2 跟 carrot1 保持什么样的位置关系? 子跟随

25 添加新坐标固定将 turtle2 跟随 turtle1 改为跟随 carrot1, 这时运行后会发现, turtle2 跟着 carrot1 改变, 但是始终在 carrot1 左侧 n 米左右

26 添加新坐标固定将 turtle2 跟随 turtle1 改为跟随 carrot1, 这时运行后会发现, turtle2 跟着 carrot1 改变, 但是始终在 carrot1 左侧 n 米左右

27 添加新坐标移动 Carrot1 的原点在以 turtle1 为圆心, 半径 n 米的圆上随时间变化并不精确

28 TF2 与时间当 TF 树随着时间 ( 默认 10s) 变化时,tf 就储存一次时间快照, 记录树形结构的坐标系使用 lookuptransform() 函数来查看 tf 树的最近可能的变化, 但不知道什么时候被记录获取现在 transform 的方法 : 将前面的 turtle_tf_listener.cpp 中的 time(0) 改为 Time::now(), 并添加 waitfortransform() 语句. 区别 ---- 实验现象几乎一致 time(0) 是查看 tf 树最近的变化而不是现在的变化, 改为 now() 后, 发现 turtle2 的行动更自然了 Now() 其实也不是真正意义的上的现在, 而是更接近现在. 不过通常情况下, 都是设为 time(0)

29 TF2 与时间如何让第二只乌龟跟着第一只乌龟五秒前的轨迹运动 1. turtle2 现在的轨迹 2. turtle1 五秒以前的轨迹 3. 世界坐标不变 4. turtle2 跟随 turtle1 五秒前轨迹

30 机器人 TF 应用一个移动机器人如何依靠激光雷达或深度视觉躲避障碍物, 传感器与机器人本体坐标不完全重合? 底部的中心 (base_link), 激光雷达的中心 (base_laser) 对于导航包来说,base_link 就是机器人的旋转中心

31 坐标关系 base_laser 对应于 base_link 的数据 : (x: 0.1m, y: 0.0m, z: 0.2m) base_link 对应与 base_laser 的数据 : (x: -0.1m, y: 0.0m, z: -0.20) 只需要用 tf 将 base_link 和 base_laser 之间的关系定义一次, 之后就让 tf 来帮我们管理这两个坐标系之间的转换

32 坐标关系 while(n.ok()){ broadcaster.sendtransform( tf::stampedtransform( // 旋转转换 tf::transform(tf::quaternion(0, 0, 0, 1), //pitch,roll,yaw tf::vector3(0.1, 0.0, 0.2)), //x,y,z ros::time::now(),"base_link", "base_laser")); r.sleep(); }

33 坐标转换 laser_point.point.x = 1.0; laser_point.point.y = 0.2; laser_point.point.z = 0.0; // 激光数据,(1.0,0.2,0.0) listener.transformpoint("base_link", laser_point, base_point); // 转换目标来源基点 //base_laser 的数据转到 base_link 下

34 测试

35 测试

36 发布机器人状态当机器人有很多相关坐标系时, 都发布到 tf 会比较繁琐机器人状态发布器 (robot state publisher) 完成这个工作机器人状态发布器内部有一个机器人的运动学模型, 因此给定机器人的关节位置, 它能计算出连杆的 3D 姿势 (pose). 把它当做一个节点 ( 推荐方法 ) 也可以当做一个库节点 : 1. 一个参数服务器上的 urdf xml 机器人描述 2. 一个发布 sensor_msgs/jointstate 关节位置的源

37 TF2 总结优点 : 1. 容易上手 2. 不需要考虑数值计算细节 3. 接口简单, 广播和监听.. 缺点 : 1. 笨拙 2. 维护开销大 3. 没有实时性

38 本课总结 1. 介绍 TF 的基本概念 2. 讲解 tf 的常用工具 3. 通过 c++ 编写 tf 的常用操作的程序, 如广播和监听等 4. 通过实例加深对 tf 的理解

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上海盛瑞电子有限公司 2015/5/22 1 / 9 一运动指令 MoveJ MoveJ[\Conc,]ToPoint,Speed[\V] [\T],Zone[\Z][\Inpos],Tool[\WObj]; 1 [\Conc,]: 协作运动开关 (switch) 2 ToPoint: 目标点, 默认为 * (robotarget) 3 Speed: 运行速度数据 (speeddata) 4 [\V]: 特殊运行速度 mm/s