ROS-仿真实验平台

（1）ROS基本架构

机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）是一款基于开源协议的、针对 机器人进行开发的、灵活可扩展的的软件平台，整合多种软件功能包和开发工具，提 供机器人操作系统所需的通用功能，包括底层驱动、通信中间件、传感器处理和控制 等，适用于机器人开发和研究。ROS 作为一种分布式系统，支持多节点同时运行， 可控制单一机器人或者一组协作机器人，目前已被广泛应用于工业自动化、航空航 天、服务机器人、协作机器人和医疗机器人等领域，其系统架构如图所示。

OS 层：即操作系统层，是ROS的底层基础；给ROS提供底层硬件驱动程序， 用于控制机器人的传感器和执行器，如激光雷达、相机、电机控制器等；此外还提供 操作系统接口，使ROS可以在不同操作系统上运行，实现进程管理、线程调度和内 存管理等功能。

中间层：是ROS系统的核心组件，起着连接硬件和应用层的桥梁作用；主要负 责传感器数据处理、运动规划与控制以及决策与行为生成，为机器人系统提供高度的 灵活性、可扩展性和智能性，使机器人能够实现各种复杂任务。

应用层：是构建在ROS中间层之上的软件层，负责实现具体的功能和任务；通 常由一系列ROS节点组成，通过节点通信机制与中间层和硬件层进行交互，从而实 现机器人的自主运行和智能交互。

总的来说，ROS 系统架构以模块化设计、系统层次化、责任分工清晰、减少开 发复杂度、提高灵活交互性、易于测试等特点为基础，共同提高了机器人系统的可维 护性、可扩展性和操作灵活性，为开发者提供了更高效、更灵活、更容易维护的机器 人应用开发平台。

（2）3D可视化Rviz

Rviz 是ROS机器人平台中的三维可视化工具，通过图形化的方式展示机械臂的 位置、运动状态、周围环境和传感器信息等，并且可以向机械臂发布控制信息，实现 机械臂的实时监测和控制；同时，还可以通过Rviz调试机械臂的导航算法、路径规划和声学系统等，帮助识别和解决问题。

（3）MoveIt 配置机械臂

MoveIt 是 ROS机器人平台中的一款全方位运动规划与控制软件包，其功能包括 高效的动力学运动规划、碰撞检测与避免、状态可视化、多机械臂协同控制等，提供 强大的状态可视化与调试工具。MoveIt系统架构如图5-3所示，核心节点move_group 充当集成器，将所有单独的组件构建在一起，以提供一组ROS操作和服务供用户使 用；User Interface 为用户接口，提供三种方式访问 move_group 提供的操作和服务， 在C++中使用move_group_interface 功能包，在Python 中使用moveit_commander 功 能包，还可以使用Rviz中的MotionPlanning插件以GUI方式访问；ROS Param Server 可为move_group 提供信息，可传输URDF、SRDF和Config三种格式文件。

 另外，MoveIt还支持导入自己编写的运动规划算法进行仿真分析，可以在ROS 中使用MoveIt API 编写运动规划算法，并将其与MoveIt中的运动规划器进行集成， 以便与机器人模型进行仿真。故本文使用MoveIt来实现对六自由度机械臂的运动规 划仿真，如图为使用MoveIt配置助手对机械臂URDF模型进行配置 的流程。