datetime:2025/06/24 11:21

author:nzb

操作臂和其他机器人的控制器

Admittance Controller

admittance 控制器允许您从末端执行器（TCP）上测量的力实现零力控制。该控制器实现了 ChainedControllerInterface ，因此可以在其前面添加其他控制器，例如 JointTrajectoryController 。

该控制器需要一个外部运动学插件才能运行。运动学接口（kinematics_interface）存储库提供了 admittance 控制器可以使用的一个接口和实现。

• ROS2 控制器的接口
  • 参数：参考链接
  • 话题：
    • ~/joint_references (input topic) [trajectory_msgs::msg::JointTrajectoryPoint]：控制器不在链式模式下时的目标关节指令。
    • ~/state (output topic) [control_msgs::msg::AdmittanceControllerState]：发布内部状态的主题。
• ros2_control 接口
  • 参考：控制器导出了以 <controller_name>/<joint_name>/[position|velocity] 格式表示的 position 和 velocity 参考接口
  • 状态
    • 状态接口使用 joints 和 state_interfaces 参数定义如下： <joint>/<state_interface> 。支持的状态接口为 position 、 velocity 和 acceleration，这些接口在 hardware_interface/hardware_interface_type_values.hpp 中定义。如果某些接口未提供，将使用最后命令的接口进行计算。
    • 用于处理 TCP 扭矩 力矩传感器 语义组件（来自 *controller_interface* 包）。接口具有 ft_sensor.name 前缀，构建的接口为： <sensor_name>/[force.x|force.y|force.z|torque.x|torque.y|torque.z] 。
  • 指令
    • 命令接口使用 joints 和 command_interfaces 参数定义如下： <joint>/<command_interface> 。支持的状态接口为 position 、 velocity 和 acceleration ，这些接口在 hardware_interface/hardware_interface_type_values.hpp 中定义。

前向指令控制器(forward_command_controller)

• 硬件接口类型：该控制器可用于所有类型的命令接口。
• ROS2 控制器的接口
  • 话题：~/commands (input topic) [std_msgs::msg::Float64MultiArray]：目标关节指令
  • 参数：这个控制器使用 generate_parameter_library 来处理它的参数。

这是一个实现前馈控制器的基类。这个基类的具体实现可以在以下位置找到：

位置控制器(position_controllers)

这是一个使用“位置”关节命令接口工作的控制器集合，但在控制器级别可能接受不同的关节级命令，例如控制某个关节的位置以实现设定的速度。该软件包包含以下控制器：

• position_controllers/JointGroupPositionController
  • ROS2 控制器的接口
    • 话题：~/commands (input topic) [std_msgs::msg::Float64MultiArray]：关节位置命令
    • 参数：该控制器覆盖了 forward_command_controller 的接口参数， joints 参数是唯一必需的。

速度控制器(velocity_controllers)

这是一个使用“速度”关节命令接口工作的控制器集合，但在控制器级别可能接受不同的关节级命令，例如控制某个关节的速度以实现设定的位置。该软件包包含以下控制器：

• velocity_controllers/JointGroupVelocityController：这是使用“速度”关节接口工作的 forward_command_controller 的特化版本。
  • ROS2 控制器的接口
    • 话题：~/commands (input topic) [std_msgs::msg::Float64MultiArray]：关节的速度指令
    • 参数：该控制器覆盖了 forward_command_controller 的接口参数， joints 参数是唯一必需的。

力控制器(effort_controllers)

这是一个使用effort关节指令接口工作的控制器集合，但在控制器级别可能会接受不同的关节级指令，例如控制某个关节的力以达到设定的位置。该软件包包含以下控制器:

这是使用“effort”联合接口工作的forward_command_controller的专门化。

• ROS2 控制器的接口
  • 话题：~/commands (input topic) [std_msgs::msg::Float64MultiArray]：关节的力矩指令
  • 参数：该控制器覆盖了 forward_command_controller 的接口参数， joints 参数是唯一必需的参数。

抓取器动作控制器(Gripper Action Controller)

用于执行简单单自由度夹爪命令动作的控制器：

• position_controllers/GripperActionController

• effort_controllers/GripperActionController

• 参数：这些控制器使用 generate_parameter_library 来处理其参数。位于 src 文件夹中的参数定义文件包含了控制器使用的所有参数的描述。

关节轨迹控制器(joint_trajectory_controller)

用于在关节空间中执行一组关节轨迹的控制器。该控制器在时间上对点进行插值，以便它们的距离可以是任意的。即使只有一个点的轨迹也是接受的。轨迹被指定为一组在特定时间瞬间要达到的航点，控制器试图根据机械结构的限制尽可能好地执行这些航点。航点由位置组成，并且可选地包含速度和加速度。

硬件接口类型

目前，具有硬件接口类型 position 、 velocity 、 acceleration 和 effort （在此定义）的关节作为命令接口支持以下组合：

• position
• position, velocity
• position, velocity, acceleration
• velocity
• effort

这意味着关节可以有一个或多个命令接口，同时应用以下控制律：

• 对于命令接口 position ，期望位置直接转发到关节，
• 对于命令接口 acceleration ，期望加速度直接转发到关节。
• 对于 velocity ( effort ) 命令接口，如果已配置（有关参数的详细信息），位置+速度轨迹跟踪误差将通过 PID 回路映射到 velocity ( effort ) 命令。

这就产生了以下允许的命令和状态接口组合：

• 使用命令接口 position ，状态接口没有限制。
• 使用命令接口 velocity
  • 如果命令接口 velocity 是唯一的，状态接口必须包含 position, velocity 。
• 使用命令接口 effort ，状态接口必须包含 position, velocity
• 使用命令接口 acceleration ，状态接口必须包含 position, velocity 。

状态接口存在进一步的限制：

• 如果缺少 position 接口，velocity 状态接口则无法使用。
• 如果缺少 position 和 velocity 接口，acceleration 状态接口则无法使用。”

其他特性

• 实时安全实现。
• 正确处理缠绕（连续）关节。
• 对系统时钟变化的鲁棒性：不连续的系统时钟变化不会导致已排队轨迹段的执行出现不连续性。

使用关节轨迹控制器(s)

该控制器期望从硬件至少获得位置反馈。关节速度和加速度是可选的。目前该控制器内部不会从加速度中积分速度，也不会从速度中积分位置。因此，如果硬件仅提供加速度或速度状态，则必须在速度和位置硬件接口实现中进行积分，才能使用这些控制器。

关节轨迹控制器的通用版本在此包中实现。使用它的 yaml 文件可以是：

controller_manager:
  ros__parameters:
    joint_trajectory_controller:
    type: "joint_trajectory_controller/JointTrajectoryController"

joint_trajectory_controller:
  ros__parameters:
    joints:
      - joint1
      - joint2
      - joint3
      - joint4
      - joint5
      - joint6

    command_interfaces:
      - position

    state_interfaces:
      - position
      - velocity

    state_publish_rate: 50.0
    action_monitor_rate: 20.0

    allow_partial_joints_goal: false
    open_loop_control: true
    constraints:
      stopped_velocity_tolerance: 0.01
      goal_time: 0.0
      joint1:
        trajectory: 0.05
        goal: 0.03

抢占策略

• 任何时刻只能激活一个action目标，如果使用话题，则可以不激活任何目标。路径和目标容差仅针对激活目标的轨迹段进行检查。

• 当来自action接口的另一个命令抢占活动行动目标时，该目标将被取消，并通知客户端。轨迹将按定义的方式被替换，参见轨迹替换。

• 从话题（而不是action接口）发送空的轨迹消息将覆盖当前action目标，并且不会中止动作。

控制器接口的描述

• 参考：控制器尚未实现为可链式控制器
• 状态：状态接口使用 joints 和 state_interfaces 参数定义如下： <joint>/<state_interface>，合法的状态接口组合在上面的“硬件接口类型”章节中给出。
• 指令：发送轨迹到控制器的机制有两种：action和topic，详情见下文

两者都使用 trajectory_msgs/msg/JointTrajectory 消息来指定轨迹，并且如果 allow_partial_joints_goal 未设置为 True ，则需要为所有控制器关节指定值（而不是仅指定子集）。有关消息格式的更多信息，请参阅轨迹表示。

• Actions
  • <controller_name>/follow_joint_trajectory [control_msgs::action::FollowJointTrajectory]：用于向控制器发出指令的动作服务器，发送轨迹的主要方式是通过动作接口，当需要执行监控时应优先使用。
    • 动作目标允许指定要执行的轨迹，还可以（可选地）指定路径和目标容差。详情请参阅 JointTolerance 消息：
    • 当未指定容差时，将使用参数界面中给出的默认值（参见参数详情）。如果在轨迹执行过程中违反了容差，则动作目标将被中止，客户端将收到通知，并且当前位置将被保持。
    • 动作服务器在目标在指定公差范围内达到后，向客户端返回成功并继续执行最后一个指令点。
• Subscriber
  • <controller_name>/joint_trajectory [trajectory_msgs::msg::JointTrajectory]：用于向控制器发送指令的主题，主题接口是一种“发射即忘”的替代方案。如果你不关心执行监控，可以使用这个接口。在这种情况下，目标容差规范不会被使用，因为没有通知发送者的机制来处理容差违规。如果状态容差被违反，轨迹将被中止，当前位置将被保持。请注意，尽管可以通过 ~/query_state 服务和 ~/state 主题提供一定程度的监控，但与动作接口相比，实现起来要复杂得多。
• Publishers：<controller_name>/controller_state [control_msgs::msg::JointTrajectoryControllerState]：以控制器管理器的更新频率发布主题内部状态
• Services：<controller_name>/query_state [control_msgs::srv::QueryTrajectoryState]：查询任何未来时间的控制器状态

PID 控制器(PID Controller)

使用 control_toolbox 包中的 PidROS 实现的 PID 控制器。该控制器可以通过主题发送参考量直接使用，或在具有前置或后置控制器的链中使用。它还支持使用参考量的导数及其反馈来实现二阶 PID 控制。

根据硬件的参考量/状态和命令接口，应使用 PidROS 的不同参数设置，例如：

• reference/state POSITION; command VELOCITY –> PI CONTROLLER
• reference/state VELOCITY; command ACCELERATION –> PI CONTROLLER
• reference/state VELOCITY; command POSITION –> PD CONTROLLER
• reference/state ACCELERATION; command VELOCITY –> PD CONTROLLER
• reference/state POSITION; command POSITION –> PID CONTROLLER
• reference/state VELOCITY; command VELOCITY –> PID CONTROLLER
• reference/state ACCELERATION; command ACCELERATION –> PID CONTROLLER
• reference/state EFFORT; command EFFORT –> PID CONTROLLER

理论上，我们可以滥用联合轨迹控制器（JTC），只向其发送一个参考点，以达到同样的目的。然而，我们并不建议这样做。如果需要在轨迹点之间使用线性、三次或五次插值，则应使用 JTC。PID 控制器不具备这种功能。JTC 中的 PID 术语具有不同的用途--它只能对硬件的速度或力度接口发出指令。

控制器的执行逻辑

控制器也可以在“前馈”模式下使用，其中前馈增益用于增加控制器的动态特性。如果参考和状态接口中只使用一种类型，则仅使用即时误差。如果使用两种类型，则第二个接口类型被视为第一种类型的导数。例如，一个有效的组合可以是 position 和 velocity 接口类型。

使用控制器

• Pluginlib-Library: pid_controller
• Plugin name: pid_controller/PidController

控制器接口的描述

• 参考（来自先前的控制器）
  • <reference_and_state_dof_names[i]>/<reference_and_state_interfaces[j]> [double]
  • 注意： reference_and_state_dof_names[i] 可以来自 reference_and_state_dof_names 参数，或者如果它是空的，则来自 dof_names 。
• 命令：<dof_names[i]>/<command_interface> [double]
• 状态
  • <reference_and_state_dof_names[i]>/<reference_and_state_interfaces[j]> [double]
  • 注意： reference_and_state_dof_names[i] 可以来自 reference_and_state_dof_names 参数，或者如果它是空的，则来自 dof_names 。
• Subscribers
  • 如果控制器不在链式模式（ in_chained_mode == false )：<controller_name>/reference [control_msgs/msg/MultiDOFCommand]
  • 如果控制器参数 use_external_measured_states == true：<controller_name>/measured_state [control_msgs/msg/MultiDOFCommand]
• Services：<controller_name>/set_feedforward_control [std_srvs/srv/SetBool]
• Publishers：<controller_name>/controller_state [control_msgs/msg/MultiDOFStateStamped]
• 参数：PID 控制器使用 generate_parameter_library 来处理其参数。

gpio_controllers

这是一个用于 GPIO（URDF 中的 <gpio> 标签）硬件接口的控制器集合。

gpio_command_controller

gpio_command_controller 允许用户暴露指定 GPIO 接口的命令接口，并发布配置的命令接口的状态接口。

• 控制器接口的描述
  • /<controller_name>/gpio_states [ control_msgs/msg/DynamicJointState ]: 发布给定 GPIO 接口的所有状态接口。
  • /<controller_name>/commands [ control_msgs/msg/DynamicJointState ]: 一个用于配置命令接口的订阅者。
• 参数