4 - ROS2 - Manipulation Cobot

Universal Robot ROS2 Driver

Le Driver ROS2 pour les cobots Universal Robot a été développé en collaboration entre Universal Robots, le Forschungszentrum für Informatik (INRIA allemand) et PickNik Robotics. Plus précisément par nos voisins de Karlsruhe, en particulier Felix Exner (https://github.com/fmauch)). Le FZI est également à l'origine d'une proposition d'interface ROS standard pour les trajectoires Cartésiennes, qui est désormais implémentée dans les contrôleurs ROS Cartésiens d'Universal Robots. La proposition repose sur un état de l'art très intéressant des interfaces de programmation des marques de robot majeures.

Installation des paquets UR pour ROS2

sudo apt install ros-humble-ur
sudo apt install python3-rosdep
sudo rosdep init
rosdep update
sudo apt update
sudo apt dist-upgrade

Installation du simulateur hors-ligne URSim

https://github.com/UniversalRobots/Universal_Robots_ROS2_Driver#getting-started

https://github.com/UniversalRobots/Universal_Robots_ROS2_Driver#install-from-binary-packages

Le moyen le plus simple de découvrir et commencer à utiliser un robot UR avec ROS2 est d'utiliser la simulation de la console de programmation (teach panel) de son contrôleur. URSim est le simulateur hors-ligne de Universal Robots. Il permet de reproduire le comportement réel d'un robot quasiment à l'identique en se connectant à son adresse IP. Il est possible d'installer URSim 5 sur un Ubuntu <18 (non inclus!) ou dans une machine virtuelle (VirtualBox). Il faut se créer un compte pour télécharger le fichier URSim 5.13. Ubuntu 18 n'est plus supporté, et MoveIt2 tourne sur Ubuntu 22.

Sur Ubuntu 22

En attendant la sortie de URSim/Polyscope 6, la manière la plus simple d'installer URSim 5 sur Ubuntu 22 est via conteneur Docker créé par UR Lab (pas maintenu officiellement).

Installer Docker

Depuis les dépôts officiels Ubuntu :

sudo apt update
sudo apt install docker-compose

Ajouter votre utilisateur au groupe docker afin de manipuler les containers sans avoir à utiliser sudo systématiquement :

sudo usermod -aG docker $USER

Tester la bonne installation :

sudo service docker start
docker run hello-world

Installer le conteneur URSim

On suit le tutoriel fourni dans la documentation du driver UR ROS. Il existe une image docker fournie sur hub.docker.com, c'est très simple :

docker pull universalrobots/ursim_e-series
ros2 run ur_robot_driver start_ursim.sh -m <ur_type>

Sur Windows 10/11

Pour les systèmes non-Linux, UR fournit une VM LUbuntu 14.04 qui peut tourner sous VirtualBox (gratuit) ou sur VMware (gratuit pour usage non commercial).

Installer VirtualBox

Télécharger et configurer la Machine Virtuelle

Ajouter l'URCap External Control

 

Configurer le réseau pour que les VMs communiquent

Démarrage et configuration URSim

image.png

Programmation hors-ligne avec URSim et MoveIt2/RViz

sudo apt install python3-rosdep
sudo rosdep init
rosdep update
sudo apt update
sudo apt dist-upgrade
sudo apt install python3-colcon-common-extensions
sudo apt install python3-colcon-mixin
colcon mixin add default https://raw.githubusercontent.com/colcon/colcon-mixin-repository/master/index.yaml
colcon mixin update default

NOTES IMPORTANTES

sudo apt update && rosdep install -r --from-paths . --ignore-src --rosdistro $ROS_DISTRO -y --os=ubuntu:jammy
colcon build --mixin release --parallel-workers 1

Déploiement du code source des Tutoriels de MoveIt

mkdir -p ~/ws_moveit2/src
cd ~/ws_moveit2/src
git clone https://github.com/ros-planning/moveit2_tutorials -b humble --depth 1

Optionnel : Installation d'un environnement de développement MoveIt2 avec les dernières améliorations et résolutions de bug

Installation de MoveIt2 Humble sur Ubuntu 22.04 :

sudo apt install python3-vcstool
cd ~/ws_moveit2/src
vcs import < moveit2_tutorials/moveit2_tutorials.repos

Note : si `vcs import` vous demande vos identifiants GitHub, tapez Entrer jusqu'à ce que ça continue. Pas besoin d'identifiant pour récupérer un dépôt GitHub public.

Installation des dépendances et compilation

sudo apt update && rosdep install -r --from-paths . --ignore-src --rosdistro $ROS_DISTRO -y
cd ~/ws_moveit2
colcon build --mixin release
cd ~/ws_moveit2
source ~/ws_moveit2/install/setup.bash
echo 'source ~/ws_moveit2/install/setup.bash' >> ~/.bashrc

Tester la communication entre ROS et URSim

https://docs.ros.org/en/ros2_packages/rolling/api/ur_robot_driver/usage.html#usage-with-official-ur-simulator

ros2 run ur_robot_driver start_ursim.sh -m ur5e
ros2 launch ur_robot_driver ur_control.launch.py ur_type:=ur5e robot_ip:=192.168.56.101

https://docs.ros.org/en/ros2_packages/rolling/api/ur_robot_driver/usage.html#example-commands-for-testing-the-driver

Envoyer des commandes au contrôleur

Avant d'envoyer des commandes, vérifier l'état des contrôleurs en utilisant ros2 control list_controllers

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Auteur: Gauthier Hentz, sur le wiki de l'innovation de l'IUT de Haguenau

 Attribution-NonCommercial-PartageMemeConditions 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) 


Commander un robot UR avec le driver ROS2

Installation d'Ubuntu avec des capacités temps-réel

Pour un usage basique, un Ubuntu (ou Linux Mint) classique permet de piloter le robot : 

Pour éviter des instabilités il est conseillé d'installer un noyau Linux avec des capacités temps-réel (PREEMPT_RT kernel). En particulier avec un robot de la Série-E, la fréquence de contrôle plus élevée peut entraîner des trajectoires non fluides sans noyau temps-réel.

mkdir -p ~/rt_kernel_build
cd ~/rt_kernel_build
tar xf linux-4.14.139.tar
cd linux-4.14.139
xzcat ../patch-4.14.139-rt66.patch.xz | patch -p1
make oldconfig

Récupérer les sources du noyau temps-réel

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.15/patch-5.15.107-rt62.patch.xz
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.15/patch-5.15.107-rt62.patch.sign
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.107.tar.xz
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.107.tar.sign
xz -dk patch-5.15.107-rt62.patch.xz
xz -d linux-5.15.107.tar.xz
gpg2 --locate-keys torvalds@kernel.org gregkh@kernel.org
gpg2 --keyserver hkp://keys.gnupg.net --search-keys salisbury
gpg2 --verify linux-5.15.107.tar.sign

gpg: Good signature from "Greg Kroah-Hartman <gregkh@kernel.org>" [unknown]
gpg: WARNING: This key is not certified with a trusted signature!
gpg:          There is no indication that the signature belongs to the owner.

gpg2 --verify patch-5.15.107-rt62.patch.sign

gpg: Good signature from "Tom Zanussi <tom.zanussi@linux.intel.com>" [unknown]
gpg:                 aka "Tom Zanussi <zanussi@kernel.org>" [unknown]
gpg:                 aka "Tom Zanussi <tzanussi@gmail.com>" [unknown]
gpg: WARNING: This key is not certified with a trusted signature!
gpg:          There is no indication that the signature belongs to the owner.

Compiler le noyau temps réel

tar xf linux-5.15.107.tar
cd linux-5.15.107
xzcat ../patch-5.15.107-rt62.patch.xz | patch -p1
make oldconfig

Preemption Model
  1. No Forced Preemption (Server) (PREEMPT_NONE)
> 2. Voluntary Kernel Preemption (Desktop) (PREEMPT_VOLUNTARY)
  3. Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop) (PREEMPT)
  4. Fully Preemptible Kernel (RT) (PREEMPT_RT_FULL) (NEW)
choice[1-4]: 4

make -j `getconf _NPROCESSORS_ONLN` deb-pkg
sudo apt install ../linux-headers-5.15.107-rt62_*.deb ../linux-image-5.15.107-rt62_*.deb

Définir les permissions utilisateur pour exécuter des tâches temps-réel

sudo groupadd realtime
sudo usermod -aG realtime $(whoami)
@realtime soft rtprio 99
@realtime soft priority 99
@realtime soft memlock 102400
@realtime hard rtprio 99
@realtime hard priority 99
@realtime hard memlock 102400

Note: Pour que ces changements soient pris en compte il faut se déconnecter et se reconncter. On redémarrera plus tard.

https://github.com/HowardWhile/Ubunutu22.04-RT-Kernel

Configurer GRUB pour toujours booter le noyau temps-réel

awk -F\' '/menuentry |submenu / {print $1 $2}' /boot/grub/grub.cfg
menuentry Ubuntu
submenu Advanced options for Ubuntu

    menuentry Ubuntu, with Linux 5.15.107-rt62
    menuentry Ubuntu, with Linux 5.15.107-rt62 (recovery mode)
sudo sed -i 's/^GRUB_DEFAULT=.*/GRUB_DEFAULT="Advanced options for Ubuntu>Ubuntu, with Linux 5.15.107-rt62"/' /etc/default/grub
$ sudo update-grub

Vérification de la capacité de préemption temps-réel

uname -v | cut -d" " -f1-4

#1 SMP PREEMPT RT

Optionnel : Désactiver le CPU speed scaling

Les threads planifiés en temps-réel s'exécutent sans problème. Cependant, des composants externes tels que les systèmes de visual servoing, non planifiés pour le temps réel peuvent être interrompus par les fonctionnalités d'économie d'énergie des processeurs récents qui changent leur fréquence d'horloge de manière dynamique.

sudo apt install cpufrequtils
cpufreq-info

current CPU frequency is XXX MhZ

sudo systemctl disable ondemand
sudo systemctl enable cpufrequtils
sudo sh -c 'echo "GOVERNOR=performance" > /etc/default/cpufrequtils'
sudo systemctl daemon-reload && sudo systemctl restart cpufrequtils

Configuration du robot UR

https://docs.ros.org/en/ros2_packages/rolling/api/ur_robot_driver/installation/robot_setup.html

Récupération de la calibration usine

Les robots sont calibrés en usine. Pour que les calculs cinématiques effectués dans ROS soient exacts, il faut récupérer les données de calibration. Sinon la précision des trajectoires envoyées depuis ROS et exécutées sur le robot risquent d'être de l'ordre du centimètre (au lieu du dixième de millimètre en temps normal).

https://docs.ros.org/en/ros2_packages/rolling/api/ur_robot_driver/installation/robot_setup.html#extract-calibration-information

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Auteur: Gauthier Hentz, sur le wiki de l'innovation de l'IUT de Haguenau

 Attribution-NonCommercial-PartageMemeConditions 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) 

Programmer un robot avec MoveIt2 - Jumeau Numérique

Prérequis : être arrivé au bout du tutoriel sur le Driver UR ROS2

Comment fonctionne la manipulation avec MoveIt ?

MoveIt2 est la plateforme de manipulation robotique pour ROS2. Il implémente un nombre important des dernières innovations en termes de :

https://moveit.picknik.ai/humble/doc/concepts/concepts.html

Premiers pas avec MoveIt dans RViz

Pour débuter avec MoveIt, on peut utiliser ses fonctionnalités de planification de trajectoire via le plugin MoveIt Display du logiciel de visualisation 3D de ROS RViz. C'est un outils très puissant pour débuguer des applications robotiques ROS. On verra que RViz est alors un jumeau numérique du vrai robot.

Les tutoriels pour débuter et approfondir ses compétences avec MoveIt sont en Anglais et fonctionnent avec le robot Panda de Franka Emika.

Nous reprenons ici le tutoriel pour débuter avec MoveIt, et l'appliquons à un UR5e.

Avec un hardware simulé par ROS

ros2 launch ur_robot_driver ur_control.launch.py ur_type:=ur5e robot_ip:=yyy.yyy.yyy.yyy fake_hardware:=true launch_rviz:=false

Avec la simulation URSim

Voir https://innovation.iha.unistra.fr/books/robotique-open-source/page/universal-robot-ros2-driver#bkmrk-installation-du-simu 

Sous Ubuntu 22 - docker

ros2 run ur_robot_driver start_ursim.sh -m ur5e
ros2 launch ur_robot_driver ur_control.launch.py ur_type:=ur5e robot_ip:=192.168.56.101 launch_rviz:=false

Sous Windows - VirtualBox

Avec le vrai robot

ros2 launch ur_robot_driver ur_control.launch.py ur_type:=ur5e robot_ip:=192.168.0.10 launch_rviz:=false

Lancer MoveIt et RViz

ros2 launch ur_moveit_config ur_moveit.launch.py ur_type:=ur5e launch_rviz:=true

https://ur-documentation.readthedocs.io/en/latest/index.html ?

Déplacer le Robot avec le Plugin MoveIt dans RViz

Résultat

ros2_moveit2_ros2control_commande_externet_UR5e.mp4

Planification de trajectoire avec OMPL

Ajouter un obstacle

ros2_moveit2_OMPL_RRTconnect_evitement_collision_automatique

Tester différents algorithmes d'OMPL

ros2_moveit2_OMPL_RRTstar_evitement_collision_longueur_optimisee

Résultat

En optimisant la trajectoire avec RRTstar, on obtient un mouvement fluide, qui évite les collision avec l'environnement et de longueur minimisée. Voir la vidéo réalisée en salle robotique de l'IUT. 

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Auteur: Gauthier Hentz, sur le wiki de l'innovation de l'IUT de Haguenau

 Attribution-NonCommercial-PartageMemeConditions 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)