本文以正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432和ZMC408CE為例，介紹正運(yùn)動(dòng)技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制器在ROS上的應(yīng)用開發(fā)。

　　在正式學(xué)習(xí)之前，我們先了解一下正運(yùn)動(dòng)技術(shù)的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器ZMC432和ZMC408CE。這兩款產(chǎn)品分別是32軸，8軸EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器。

　　ZMC432功能簡介

　　ZMC432是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

　　ZMC432最多可支持32軸運(yùn)動(dòng)控制，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

　　ZMC432支持32軸脈沖輸入與編碼器反饋，通用IO包含24路輸入口和12個(gè)輸出口;2路AD，2路DA;其中特定輸出口支持高速PWM控制。

　　ZMC432通過EtherCAT和CAN總線進(jìn)行硬件資源擴(kuò)展，可擴(kuò)展至4096路輸入和4096路輸出。

　　ZMC408CE功能簡介

　　ZMC408CE是正運(yùn)動(dòng)推出的一款多軸高性能EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制器，具有EtherCAT、EtherNET、RS232、CAN和U盤等通訊接口，ZMC系列運(yùn)動(dòng)控制器可應(yīng)用于各種需要脫機(jī)或聯(lián)機(jī)運(yùn)行的場合。

　　ZMC408CE支持8軸運(yùn)動(dòng)控制，最多可擴(kuò)展至32軸，支持直線插補(bǔ)、任意圓弧插補(bǔ)、空間圓弧、螺旋插補(bǔ)、電子凸輪、電子齒輪、同步跟隨等功能。

　　ZMC408CE支持8軸運(yùn)動(dòng)控制，可采用脈沖軸(帶編碼器反饋)或EtherCAT總線軸，通用IO包含24路輸入口和16路輸出口，部分IO為高速IO，模擬量AD/DA各兩路，EtherCAT最快125us的刷新周期。

　　ZMC408CE支持8個(gè)通道的硬件比較輸出、硬件定時(shí)器、運(yùn)動(dòng)中精準(zhǔn)輸出，還支持8通道PWM輸出，對(duì)應(yīng)的輸出口為OUT0-7，支持8個(gè)通道同時(shí)觸發(fā)硬件比較輸出。

　　ZMC408CE可靈活進(jìn)行硬件資源擴(kuò)展，通過CAN或EtherCAT總線可擴(kuò)展至4096個(gè)輸入和4096個(gè)輸出。

　　→ZMC432，ZMC408CE均使用同一套API函數(shù)，均支持C、C++、C#、LabVIEW、Python、Delphi等開發(fā)語言，支持VC6.0、VB6.0、Qt、.Net等平臺(tái)，支持Windows、Linux、WinCE、iMac等操作系統(tǒng)。

　　01、ROS應(yīng)用背景

　　ROS(robot operating system)是用于機(jī)器人的一種開源后操作系統(tǒng)(次級(jí)操作系統(tǒng))。首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。

　　ROS是一種分布式處理框架(又名Nodes)。這使可執(zhí)行文件能被單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且在運(yùn)行時(shí)松散耦合。這些過程可以封裝到數(shù)據(jù)包(Packages)和堆棧(Stacks)中，以便于共享和分發(fā)。

　　ROS還支持代碼庫的聯(lián)合系統(tǒng)。使得協(xié)作亦能被分發(fā)。這種從文件系統(tǒng)級(jí)別到社區(qū)一級(jí)的設(shè)計(jì)讓獨(dú)立地決定發(fā)展和實(shí)施工作成為可能。上述所有功能都能由ROS的基礎(chǔ)工具實(shí)現(xiàn)。

　　簡單來說，ROS作為一個(gè)靈活的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)上的節(jié)點(diǎn)具有很大的隨意性，它們可以位于不同的計(jì)算機(jī)上，甚至可以位于不同的網(wǎng)絡(luò)上。我們可以使用一個(gè)Arduino作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息，使用一臺(tái)筆記本電腦作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)訂閱上述信息以及使用一臺(tái)手機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

　　上述靈活性使得ROS可以適應(yīng)很多不同場合的應(yīng)用。

　　ROS的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾條

　　1.分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)ROS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由計(jì)算機(jī)視覺和語音識(shí)別等功能帶來的實(shí)時(shí)計(jì)算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。

　　2.多語言支持

　　ROS支持許多種不同的語言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語言的多種接口實(shí)現(xiàn)。

　　3.精簡與集成

　　ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨(dú)編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現(xiàn)精簡的理念。

　　ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫的功能，就允許了對(duì)簡單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。

　　4.工具包豐富

　　為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，我們利用了大量的小工具去編譯和運(yùn)行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計(jì)成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個(gè)龐大的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

　　5.免費(fèi)并且開源

　　ROS所有的源代碼都是公開發(fā)布的。

　　ROS在行業(yè)中的一些應(yīng)用

　　近年來，國內(nèi)外機(jī)器人企業(yè)、無人駕駛企業(yè)，無人機(jī)企業(yè)(大疆無人機(jī))都紛紛加入ROS陣營。且在各大招聘中，不管是騰訊、小馬智行、阿里巴巴的菜鳥網(wǎng)絡(luò)、百度Apollo等，招聘無人駕駛規(guī)劃算法工程師、自主導(dǎo)航工程師、機(jī)器人感知算法工程師、系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)架構(gòu)師等崗位時(shí)，均要求“熟悉ROS”或者“具備ROS開發(fā)經(jīng)驗(yàn)者優(yōu)先”。從這些我們可以看出來ROS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，正在機(jī)器人行業(yè)一步一步的主導(dǎo)中國市場。以下是一些ROS典型應(yīng)用場景：

       1.機(jī)器人控制器中的大佬人物 - KEBA，他們的控制器已經(jīng)支持ROS。

　　2.美國NASA基于ROS開發(fā)的Robonaut 2已經(jīng)在國際空間站里干活了。

　　3.百度apollo無人車的底層是基于ROS開發(fā)的，差點(diǎn)改成了ROS 2，可以在github上找到(apollo-platform)。

　　4.ROS-I最近正準(zhǔn)備和微軟、寶馬合作，開發(fā)一套自動(dòng)化解決方案(參考：A ROS-Industrial Collaboration with Microsoft and BMW)。

　　5.許多工業(yè)機(jī)械臂已經(jīng)開始使用ROS系統(tǒng)，其中2017年底R(shí)OS-I官方發(fā)布的五周年視頻不乏四大家族中的機(jī)器人。下圖的庫卡youbot機(jī)器人就是采用ROS系統(tǒng)開發(fā)。

　　02軟件安裝過程此部分主要講Ubuntu18.04安裝ROS Melodic詳細(xì)過程(本文以Ubuntu18.04為例，其他同理，并不影響運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)用)。

　　1.設(shè)置sources.list

　　$ sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ $DISTRIB_CODENAME main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

　　2.設(shè)置key(公鑰已更新)

　　$ sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-key 421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116

　　3.更新package(時(shí)間有點(diǎn)長，耐心等待)

　　$ sudo apt-get update

　　此時(shí)可能會(huì)遇到以下問題：

       解決辦法如下，在終端輸入：

　　$sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-key F42ED6FBAB17C654$ sudo apt-get update

　　當(dāng)出現(xiàn)Reading package lists… Done說明更新完成。

　　4.安裝ROS melodic完整版

　　$ sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full

　　5.初始化rosdep

　　$sudo rosdep init$rosdep update$echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc$ source ~/.bashrc

　　效果示意圖：

　　輸入指令sudo rosdep init若遇到以下問題：

　　(1)sudo : rosdep : command not found問題

　　在終端輸入：sudo apt install rospack-tools

　　(2)ERROR : cannot download default sources list from: https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/rosdep/sources.list.d/20-default.list Website may be down.

　?、僭诮K端輸入：sudo gedit / etc / hosts，打開hosts文件，內(nèi)容如下;

　?、趯ⅲ?99.232.28.133 raw.githubusercontent.com添加在文件中，添加后的文件如下;

　?、廴缓蟊４嫖募笸顺?

　　④在終端執(zhí)行：sudo rosdep init，問題解決。

　　6.測試ROS是否安裝成功

　　$ roscore

　　成功打開如下圖所示：

　　03、ROS編程案例這部分主要講“消息發(fā)布”和“訂閱”兩個(gè)ROS編程案例。1.創(chuàng)建一個(gè)ROS工作空間。

　　$mkdir -p ~/catkin_ws/src$cd ~/catkin_ws/$ catkin_make

　　2.創(chuàng)建ROS程序包(zmotion為程序包名，也可以定義為其他)。

　　·

　　$cd ~/catkin_ws/src$catkin_create_pkg zmotion std_msgs roscpp$cd ~/catkin_ws$ catkin_make

　　3.在創(chuàng)建完程序包后，每次運(yùn)行需要source ~ / catkin_ws / devel / setup.bash，否則無法找到文件。解決每次都要source方法：

　　·

　　在終端輸入：$gedit ~/.bashrc在文件末尾添加并保存：$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

　　4.新建節(jié)點(diǎn)文件。在zmotion包目錄中創(chuàng)建一個(gè)src目錄:

　　·

　　$cd ~/catkin_ws/src/zmotion //進(jìn)入zmotion程序包路徑下$mkdir -p src //新建src文件夾，用來存放c++程序$cd src/ //進(jìn)入src文件夾路徑下$touch talker.cpp //新建發(fā)布消息節(jié)點(diǎn)cpp文件$ touch listener.cpp //新建訂閱消息節(jié)點(diǎn)cpp文件

　　5.撰寫發(fā)布節(jié)點(diǎn)(talker.cpp)。

　　實(shí)現(xiàn)功能：

　　(1)初始化ROS系統(tǒng);

　　(2)在chatter topic上發(fā)布std_msgs/Float64消息;

　　(3)以每秒10次頻率發(fā)布消息。

　　·

　　#include "ros/ros.h"#include "std_msgs/Float64.h"#include int main(int argc, char **argv){ //初始化ROS，名稱重映射(唯一)，必須為base name，不含/ ros::init(argc, argv, "talker"); //為進(jìn)程的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)句柄，第一個(gè)創(chuàng)建的NodeHandle初始化節(jié)點(diǎn) ros::NodeHandle n; //告訴主機(jī)要在chatter topic上發(fā)布一個(gè)std_msgs消息 //主機(jī)會(huì)訂閱所有chatter topic節(jié)點(diǎn)，參數(shù)表示發(fā)布隊(duì)列的大小(先進(jìn)先出) ros::Publisher chatter_pub = n.advertise("chatter", 1000); ros::Rate loop_rate(10); //自循環(huán)頻率 int count = 0; while (ros::ok()) { std_msgs::Float64 msg; msg.data = count*1.0; //輸出，用來替代prinf/cout ROS_INFO("Position is: %f", msg.data); chatter_pub.publish(msg); ros::spinOnce(); //休眠，來使發(fā)布頻率為10Hz loop_rate.sleep(); ++count; } return 0;}

　　6.撰寫訂閱節(jié)點(diǎn)(listener.cpp)。實(shí)現(xiàn)功能：(1)初始化ROS系統(tǒng);(2)訂閱chatter topic消息;(3)進(jìn)入自循環(huán)，等待消息到達(dá);(4)消息到達(dá)，調(diào)用chatterCallback()函數(shù)。

　　·

　　#include "ros/ros.h"#include "std_msgs/Float64.h"http://回調(diào)函數(shù)void chatterCallback(const std_msgs::Float64::ConstPtr& msg){ ROS_INFO("I heard: %f", msg->data);}int main(int argc, char **argv){ ros::init(argc, argv, "listener"); ros::NodeHandle n; //告訴master需要訂閱chatter topic消息 ros::Subscriber sub = n.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback); ros::spin(); //自循環(huán) return 0;}

　　7.修改CMakeLists.txt。

　　(1)打開程序包zmotion(catkin_ws / src / zmotion)路徑，找到CMakeLists.txt文件。

　　(2) 最低版本修改為2.8.3。

　　·

　　cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)

　　(3) 找到find_package，添加依賴包message_generation。

　　·

　　find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS roscpp std_msgs message_generation)

　　(4)確保generate_message被調(diào)用。

　　·

　　generate_messages( DEPENDENCIES std_msgs)

　　(5)確保在運(yùn)行時(shí)依賴中也添加了該消息的依賴。

　　·

　　catkin_package(# INCLUDE_DIRS include# LIBRARIES beginner_tutorials# CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs# DEPENDS system_lib CATKIN_DEPENDS message_runtime)

　　(6)修改build下的設(shè)置

　?、賹nclude_directories中include解注釋。

　　include_directories( include ${catkin_INCLUDE_DIRS})

　　②在指定位置添加下列代碼下面的代碼可以任意添加在build中，我為了美觀所以添加在相應(yīng)位置的，只要在build中添加都生效。

　　·

　　add_executable(talker src/talker.cpp)add_executable(listener src/listener.cpp)add_dependencies(talker $zmotion_generate_messages_cpp)//zmotion為程序包名target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})

　　(7)最后，列出完整的CMakeLists.txt。

　　·

　　cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)project(zmotion)find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS roscpp std_msgs message_generation)## Generate added messages and services with any dependencies listed heregenerate_messages( DEPENDENCIES std_msgs)##################################### catkin specific configuration #####################################catkin_package(# INCLUDE_DIRS include# LIBRARIES zmotion# CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs# DEPENDS system_libCATKIN_DEPENDS message_runtime)############# Build ############### Specify additional locations of header files## Your package locations should be listed before other locationsinclude_directories( include ${catkin_INCLUDE_DIRS})## Declare a C++ executable## With catkin_make all packages are built within a single CMake context## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collideadd_executable(talker src/talker.cpp)add_executable(listener src/listener.cpp)## Rename C++ executable without prefixadd_dependencies(talker $zmotion_generate_messages_cpp)## Specify libraries to link a library or executable target againsttarget_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})

　　8.修改package.xml文件。

　　·

　　message_generationmessage_generationmessage_runtime

　　9.編譯。

　　·

　　$ cd ~/catkin_ws$ catkin_make

　　10.運(yùn)行程序。(1)打開一個(gè)新終端，啟動(dòng)ROS系統(tǒng);

　　·

　　$ roscore

　　(2)打開一個(gè)新終端，運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn);

　　·

　　$ cd ~/catkin_ws //進(jìn)入工作控件目錄下$ rosrun zmotion talker //運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)程序

　　(3)打開一個(gè)新終端，運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn);

　　·

　　$ cd ~/catkin_ws$ rosrun zmotion listener

　　(4)結(jié)果。運(yùn)行發(fā)布節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：

　　·

　　[INFO] [WallTime: 1314931831.774057] Position is: 1.000000[INFO] [WallTime: 1314931832.775497] Position is: 2.000000[INFO] [WallTime: 1314931833.778937] Position is: 3.000000[INFO] [WallTime: 1314931834.782059] Position is: 4.000000[INFO] [WallTime: 1314931835.784853] Position is: 5.000000

　　運(yùn)行訂閱節(jié)點(diǎn)程序的結(jié)果：

　　·

　　[INFO] [WallTime: 1314931970.262246] I heard: 1.000000[INFO] [WallTime: 1314931971.266348] I heard: 2.000000[INFO] [WallTime: 1314931972.270429] I heard: 3.000000[INFO] [WallTime: 1314931973.274382] I heard: 4.000000[INFO] [WallTime: 1314931974.277694] I heard: 5.000000

　　本次，正運(yùn)動(dòng)技術(shù)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器在ROS上的應(yīng)用(上)，就分享到這里。

　　更多精彩內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注“正運(yùn)動(dòng)小助手”公眾號(hào)，需要相關(guān)開發(fā)環(huán)境與例程代碼，請(qǐng)咨詢正運(yùn)動(dòng)技術(shù)銷售工程師：400-089-8936。

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