機器人操作系統(tǒng) ( ROS ) 是一種機器人中間件，包含一組軟件庫和強大的開發(fā)工具，從驅(qū)動程序到最先進的算法，可用于開發(fā)機器人系統(tǒng)或應用程序。Analog Devices Inc. (ADI) 的 Trinamic 電機控制器支持一種新型智能執(zhí)行器，隨著 ROS 變得越來越流行，尤其是在機器人領(lǐng)域，開發(fā)了額外的模塊支持(如 ROS 驅(qū)動程序)，以擴展制造和工業(yè)自動化應用的可用性。

ADI 的 TMC ROS1 驅(qū)動程序提供的功能類似于該公司的 Trinamic 電機控制語言集成開發(fā)環(huán)境 ( TMCL-IDE )，但有一個關(guān)鍵區(qū)別：它允許支持 ROS 的系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點使用 TMC，而無需安裝額外的驅(qū)動程序。此外，adi_tmcl 集成了自己的 TMCL 協(xié)議解釋器，使其能夠解釋符合 TMCL 標準的用戶請求命令。最后一層 tmcl_ros_node 與 ROS 系統(tǒng)建立直接接口，提供發(fā)布者、訂閱者和服務等功能。這些功能中的每一個都可以使用一組參數(shù)進行定制，這將在以下章節(jié)中詳細討論。

支持多種TMC板

TMC ROS 驅(qū)動程序或 adi_tmcl 旨在支持所有遵守 TMCL 協(xié)議的商用 TMC。截至本文發(fā)表時，它目前支持 CAN 接口(特別是 SocketCAN)。但是，目前正在進行開發(fā)，以便很快支持其他接口。這些 TMC 包括 ADI Trinamic PANdrive 智能電機和模塊，可進一步分為步進電機和無刷直流 ( BLDC ) 電機。使用 ROS 參數(shù)使 adi_tmcl 能夠無縫支持不同的 TMC 板。這樣就可以配置 tmcl_ros_node，而無需重建整個包。

在 adi_tmcl/config 目錄中，每個 ADI Trinamic 電機控制器模塊 (TMCM) 都與兩個 YAML 文件相關(guān)聯(lián)。這些文件以人類可讀的數(shù)據(jù)序列化語言編寫，包含 ROS 參數(shù)，應在執(zhí)行期間加載：

adi_tmcl/config/自動生成/TMCM-XXXX.yaml

此 YAML 文件是自動生成的，包含特定于模塊的參數(shù)，不建議修改，因為它可能會導致節(jié)點執(zhí)行不同。

adi_tmcl/配置/TMCM-XXXX_Ext.yaml

該 YAML 文件包含用戶可以修改以便與開發(fā)板通信的所有參數(shù)(例如，接口名稱)、啟用電機控制和更改 ROS 主題名稱。

舉例來說，如果您想使用TMCM-1636(圖 3)，只需啟動圖 1 所示的代碼，其中 adi_tmcl/launch/tmcm_1636.launch 加載專用于 TMCM-1636 的 YAML 文件。

圖 1：啟動 TMCM-1636

圖 2：使用 TMCM-1636 運行 TMC ROS 驅(qū)動程序的代碼片段

圖 3：TMCM-1636 硬件連接圖(頂部);實際設置參考圖(底部)

要使用TMCM-1260(圖 6)，請啟動圖 4 所示的代碼，其中 adi_tmcl/launch/tmcm_1260.launch 加載專用于 TMCM-1260 的 YAML 文件。

圖 4：使用 TMCM-1260 啟動 TMC ROS 驅(qū)動程序的命令

圖 5：使用 TMCM-1260 運行 TMC ROS 驅(qū)動程序的代碼片段

圖 6：TMCM-1260 硬件連接圖(頂部);實際設置參考圖(底部)

啟動目錄包括所有受支持的 TMC 板，可以在此處查看。

使用 TMCL-IDE 對 TMC 模塊進行一次性配置

在通過 ROS 使用 TMC 板之前，需要使用電機校準板。所有校準都應使用 TMCL-IDE 進行，并應存儲在 E 2 PROM 中(否則，電機可能無法正確控制)。

· 對于 BLDC 電機模塊(例如 TMCM-1636)：

· 有關(guān)如何通過 TMCL-IDE 的向?qū)С毓δ苓M行電機校準的演示/教程，請查看本教程。

· 有關(guān)如何通過 TMCL-IDE 中的 PI 調(diào)整功能進行比例積分 (PI) 調(diào)整的演示/教程，請查看本教程。

· 對于步進電機模塊(例如 TMCM-1260)：

· 有關(guān)如何通過 TMCL-IDE 的向?qū)С毓δ苓M行校準的演示/教程，請查看本教程。

校準和調(diào)整后，請確保將所有參數(shù)存儲在電路板的 E 2 PROM 中。這可以通過存儲參數(shù)、STAP 命令和/或創(chuàng)建和上傳 TMCL 程序并啟用自動啟動模式來完成。有些電路板僅支持其中幾個選項。

在配置/調(diào)整 TMC 和電機后，TMC ROS 驅(qū)動程序的設計得到簡化，以便基于使用 TMCL-IDE 的一次性配置來控制電機。

移動/停止電機

TMC ROS 驅(qū)動程序通過發(fā)布以下任一主題來移動/停止電機：

· /cmd_vel (geometry_msgs/Twist) 設置電機的速度。

· /cmd_abspos (std_msgs/Int32) 設置電機的絕對位置。

· /cmd_relpos (std_msgs/Int32) 設置電機的相對位置。

· /cmd_trq (std_msgs/Int32) 設置電機的扭矩。

注意：多軸 TMC 設置中，不同電機有單獨的主題。

用戶可以連接他們的 ROS 系統(tǒng)以發(fā)布到這些特定主題，從而使他們能夠控制電機的運動。主題的選擇取決于應用程序、TMC 設置和所用電機的類型。例如，對于輪式機器人，用戶可能選擇設置速度，而對于夾持器，設置位置會更合適。

作為一個說明性示例，請考慮腳本 adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。這個簡單的腳本可以控制電機順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，并逐步增加速度。要執(zhí)行此操作，請按照圖 7 中所示的命令進行操作。

圖 7：測試 TMC ROS 驅(qū)動程序速度控制的命令

筆記：

· 2 號航站樓和 3 號航站樓并排放置時視野最佳。

· 完成后，您可以在終端 1 中按 Ctrl+C 執(zhí)行命令，然后在終端 2 中按 Ctrl+C 執(zhí)行命令。

· 3號航站樓的指令自動停止。

為了驗證電機是否移動，圖 8 顯示了從 TMC(/tmc_info_0)讀回的實際速度圖。

圖 8：使用 RQT 繪制的電機實際速度(以米/秒為單位)

檢索 TMC/電機信息

系統(tǒng)可以通過訂閱以下主題從 TMC ROS 驅(qū)動程序檢索信息：

· /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo) 提供電壓、TMC 狀態(tài)、實際速度、實際位置和實際扭矩信息。

注意：多軸 TMC 設置中，不同電機有單獨的主題。

用戶可以鏈接他們的 ROS 系統(tǒng)來訂閱這些指定主題。這樣他們就可以監(jiān)控參數(shù)值并根據(jù)參數(shù)值采取行動。例如，在特定于應用程序的場景中，人們可以選擇在檢測到 TMC 狀態(tài)錯誤時停止系統(tǒng)，或者在電機到達特定位置后執(zhí)行預編程操作。

例如，adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh 是一個簡單的腳本，它將使電機順時針旋轉(zhuǎn)，然后逆時針旋轉(zhuǎn)，位置逐漸增加。執(zhí)行圖 9 中所示的命令。

圖 9：測試 TMC ROS 驅(qū)動程序位置控制的命令

為了驗證電機是否移動，圖 10 顯示了從 TMC(/tmc_info_0)讀回的實際位置圖表。

圖 10：使用 RQT 繪制的電機實際位置(以度為單位)

執(zhí)行自定義 TMC 命令

系統(tǒng)可以通過執(zhí)行以下功能來訪問和調(diào)整TMC參數(shù)：

· tmcl_custom_cmd (adi_tmcl/TmcCustomCmd) 獲取/設置 TMC 軸參數(shù) (AP) 和全局參數(shù) (GP) 的值。

用戶可以選擇將此服務集成到他們的 ROS 系統(tǒng)中以滿足特定的應用需求。此功能使用戶能夠直接從 ROS 驅(qū)動程序配置 TMC 板。例如，用戶可以選擇設置最大電流的軸參數(shù)，從而調(diào)整允許的絕對電流水平。但是，用戶必須徹底了解他們通過此功能修改的參數(shù)，因為不正確的設置可能會導致 TMC ROS 驅(qū)動程序故障。因此，強烈建議通過 TMCL-IDE 執(zhí)行任何配置。圖 11 提供了調(diào)用此服務的示例，展示了指令類型為 208 的 DrvStatusFlags 的獲取軸參數(shù)操作。

圖11：通過RQT觸發(fā)tmcl_custom_cmd服務

訪問所有 AP 值

系統(tǒng)可以通過以下方式訪問 TMC AP 的值：

· tmcl_gap (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) 獲取指定電機/軸的所有 TMC AP 的值。

用戶可以將他們的 ROS 系統(tǒng)與此功能集成，以滿足其特定應用的需求。例如，此服務可以捕獲 TMC 板的當前設置和狀態(tài)，包括編碼器步驟、PI 調(diào)諧、換向模式等 AP。

圖 12 顯示了部分輸出示例。通過分析此結(jié)果，用戶可以確認一次性配置是否正確保存在板的 E2PROM中。

圖 13 顯示了執(zhí)行該服務后獲得的部分輸出。該結(jié)果可讓用戶確認一次性配置是否已準確存儲在電路板的 E2PROM中。

圖12：通過RQT觸發(fā)tmcl_gap_all服務

訪問所有 GP 值

系統(tǒng)可以通過以下方式訪問 TMC GP 的值：

· tmcl_ggp (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) 獲取所有 TMC GP 的值。

此功能可以檢索 TMC 板的當前配置和狀態(tài)?？梢栽L問的一些 GP 包括 CAN 比特率、串行波特率和自動啟動模式。

圖13：通過RQT觸發(fā)tmcl_ggp_all

多個 TMC 板設置

對于可能需要多個 TMC 板的大型系統(tǒng)(例如機械臂)，TMC ROS 驅(qū)動程序允許多個設備設置。

多個 CAN 通道中的多個 TMC 板

如圖 14 所示，當用戶每個 TMC 板都有一個 CAN-USB 時， 會添加命名空間來區(qū)分每個節(jié)點的實例。在此特定用例中，需要相應更新comm_interface_name參數(shù)以確保與板正確通信。

圖14：多個 CAN 通道中的多個 TMC 板的示例圖

圖 15：使用多個 CAN 通道運行多個 TMC ROS 驅(qū)動程序的代碼片段

圖 15 中的代碼是用于設置此用例的示例啟動文件。在此示例中，可以通過發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來控制電機 A ，通過發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來控制電機 B，通過發(fā)布到/tmcm3/cmd_abspos來控制電機C。

單個 CAN 通道中有多個 TMC 板

TMC ROS 驅(qū)動程序支持的另一種設置是單個 CAN 通道中的多個 TMC 板，如圖 16 所示。與描述的對多個 TMC 板的支持非常相似，引入了命名空間來區(qū)分每個節(jié)點實例。保持所有板的comm_interface_name一致。調(diào)整comm_tx_id和comm_rx_id以確保與每個板準確通信。

圖 17 顯示了用于設置此用例的示例啟動文件。在此示例中，可以通過發(fā)布到/tmcm1/cmd_abspos來控制電機 A ，通過發(fā)布到/tmcm2/cmd_abspos來控制電機 B，通過發(fā)布到 /tmcm3/ cmd_abspos來控制電機C。

輕松集成到 ROS 系統(tǒng)/應用程序

借助 ROS 提供的消息傳遞系統(tǒng)，大型系統(tǒng)可以輕松交換節(jié)點(例如驅(qū)動程序和算法)。TMC ROS 驅(qū)動程序的開發(fā)將這一優(yōu)勢擴展到 TMC 板，從而可以無縫集成到 ROS 系統(tǒng)/應用程序中。

圖 16：單個 CAN 通道中多個 TMC 板的示例圖

圖 17：使用單個 CAN 通道運行多個 TMC ROS 驅(qū)動程序的代碼片段

集成至 AGV/AMR

圖 18 說明了navigation_node如何通過發(fā)送 geometry_msg/Twist 格式的 / cmd_vel來控制移動機器人。然后， motor_controller將通過geometry_msg/Twist 格式的/wheel_velocity發(fā)送反饋，以便navigation_node可以相應地重新校準。

圖 18：AGV/AMR 的簡化架構(gòu)

通過了解navigation_node發(fā)布和訂閱的位置，tmcl_ros_node可以輕松更改motor_controller(圖 19)。與 TMC 信息檢索功能類似，adi_tmcl 發(fā)布有關(guān)車輪速度的實時信息，wheel_velocity_node將車輪速度信息從 adi_tmcl/TmcInfo 轉(zhuǎn)換為 geometry_msg/Twist。由于新架構(gòu)及其集成的 TMC 板符合正確的數(shù)據(jù)格式，因此移動機器人有望以相同的方式工作。

圖 19：帶有 TMC ROS 驅(qū)動程序的 AGV/AMR 的簡化架構(gòu)

集成到機械臂中

為了將 TMC 板集成到帶有機械臂的拾放應用中，圖 20 說明了如何需要多個電機來控制機械臂。與上一個用例類似，用戶需要確保 pick_and_place_node 將訂閱/發(fā)布預期的數(shù)據(jù)格式。

圖 20：帶有通用電機控制器的機械臂(頂部);帶有 TMC 板的機械臂(底部)