使用ROS2 控制 Isaac Sim 中的机械臂运动

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项目介绍

本项目展示了如何在 Ubuntu 环境下，通过 ROS2 控制 Isaac Sim 中的机械臂。我们使用 ROS2 发布关节角度命令，并通过 Isaac Sim 的 ROS2 桥接功能来控制机械臂的运动。

先决条件

• Ubuntu 20.04 或更高版本
• ROS2 Humble
• NVIDIA Isaac Sim 2022.1 或更高版本
• Python 3.8 或更高版本

安装步骤

1. 安装 ROS2 Humble
   按照 ROS2 安装指南 进行安装。

2. 安装 NVIDIA Isaac Sim
   从 NVIDIA Isaac Sim 下载页面 下载并安装。

3. 创建 ROS2 工作空间：

   mkdir -p ros2_ws/src
   cd ros2_ws
   colcon build
   source install/setup.bash
   

4. 创建 ROS2 包：

   cd src
   ros2 pkg create --build-type ament_python robot_controller
   cd robot_controller/robot_controller
   

5. 创建 robot_controller.py 文件并添加以下内容：

   import rclpy
   from rclpy.node import Node
   from sensor_msgs.msg import JointState
   from math import radians, sin
   
   class RobotController(Node):
       def __init__(self):
           super().__init__('robot_controller')
           self.publisher_ = self.create_publisher(JointState, 'joint_commands', 10)
           timer_period = 0.1 # seconds
           self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
           self.t = 0.0
   
       def timer_callback(self):
           msg = JointState()
           msg.header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
           msg.name = ['joint_1', 'joint_2', 'joint_3', 'joint_4', 'joint_5', 'joint_6']
           # 使用正弦函数生成周期性的关节角度命令
           msg.position = [
               radians(45 * sin(self.t)),
               radians(30 * sin(self.t * 0.5)),
               radians(15 * sin(self.t * 0.25)),
               radians(10 * sin(self.t * 0.1)),
               radians(5 * sin(self.t * 0.05)),
               radians(2 * sin(self.t * 0.025))
           ]
           self.publisher_.publish(msg)
           self.get_logger().info(f'Publishing: {msg.name[0]} = {msg.position[0]} rad')
           self.t += 0.1
   
   def main(args=None):
       rclpy.init(args=args)
       robot_controller = RobotController()
       rclpy.spin(robot_controller)
       robot_controller.destroy_node()
       rclpy.shutdown()
   
   if __name__ == '__main__':
       main()
   

6. 更新 setup.py 文件：

   from setuptools import setup
   
   package_name = 'robot_controller'
   
   setup(
       name=package_name,
       version='0.0.0',
       packages=[package_name],
       data_files=[
           ('share/ament_index/resource_index/packages',
            ['resource/' + package_name]),
           ('share/' + package_name, ['package.xml']),
       ],
       install_requires=['setuptools'],
       zip_safe=True,
       maintainer='your_name',
       maintainer_email='your_email@example.com',
       description='ROS2 package for controlling a robot arm in Isaac Sim',
       license='Apache License 2.0',
       tests_require=['pytest'],
       entry_points={
           'console_scripts': [
               'robot_controller = robot_controller.robot_controller:main'
           ],
       },
   )
   

7. 构建包：

   cd ../../..
   colcon build --packages-select robot_controller
   source install/setup.bash
   

Isaac Sim 配置

1. 打开 Isaac Sim 并创建一个新场景。

2. 导入您的机械臂模型（确保模型有正确的关节配置）。

3. 在 Isaac Sim 中启用 ROS2 桥接扩展：

   • 菜单栏中选择 Window -> Extensions
   • 在扩展管理器中搜索并启用 omni.isaac.ros2_bridge

4. 使用 Isaac Sim 的 Action Graph 创建以下节点：

   • ROS2 订阅者节点，订阅 /joint_commands 话题
   • ROS2 发布者节点，发布 /joint_states 话题
   • ArticulationController 节点，用于控制机械臂的每个关节

5. 连接这些节点，使得：

   • 从 /joint_commands 接收的命令被应用到 ArticulationController
   • ArticulationController 的状态被发布到 /joint_states

运行项目

1. 启动 ROS2 节点：

   ros2 run robot_controller robot_controller
   

调试

• 使用 ros2 topic echo /joint_states 监视关节状态
• 使用 ros2 topic echo /joint_commands 确认命令正在被发布

注意事项

• 确保机械臂模型的关节名称与代码中的名称匹配
• 调整代码中的运动参数以适应您的特定机械臂模型
• 注意设置适当的运动限制以避免碰撞或超出关节限制

下一步

• 实现更复杂的运动规划算法
• 添加碰撞检测和避障功能
• 集成其他传感器（如相机或力传感器）
• 实现基于任务的控制逻辑

故障排除

如果遇到问题：

1. 确保所有依赖项都已正确安装
2. 检查 ROS2 和 Isaac Sim 的版本兼容性
3. 验证 Isaac Sim 中的 ROS2 桥接配置是否正确
4. 检查机械臂模型的关节配置