franka_bringup

安装

请参考 README.md。

包概览

该包包含示例的启动文件以及基本的 franka.launch.py 启动文件，可用于在没有任何控制器的情况下启动机器人。

当你启动机器人时:

ros2 launch franka_bringup franka.launch.py arm_id:=fr3 robot_ip:=<fci-ip> use_rviz:=true

除了 joint_state_broadcaster 外，没有其他控制器在运行。但仍然可以与机器人建立连接，并在 RViz 中可视化当前机器人位姿。在此模式下，当用户按下停止按钮时可以引导机器人。然而，一旦启动使用 effort_command_interface 的控制器，机器人将使用 libfranka 的力矩接口。例如，可以通过运行以下命令启动 gravity_compensation_example_controller:

ros2 control load_controller --set-state active  gravity_compensation_example_controller

这相当于运行 Gravity Compensation 中提到的 gravity_compensation_example_controller 示例。

当控制器停止时:

ros2 control set_controller_state gravity_compensation_example_controller inactive

机器人将停止力矩控制，仅通过 FCI 发送其当前状态。

现在你可以选择再次启动相同的控制器:

ros2 control set_controller_state gravity_compensation_example_controller active

或者加载并启动不同的控制器:

ros2 control load_controller --set-state active joint_impedance_example_controller

启用命名空间的启动文件

为了演示如何在指定命名空间内启动机器人，我们提供了位于 franka_bringup/launch/example.launch.py 的示例启动文件。

默认情况下，example.launch.py 配置为从位于 franka_bringup/launch/ 目录的 YAML 文件 franka.ns-config.yaml 中读取机器人基本配置。你也可以通过命令行指定路径来使用不同的 YAML 文件。

franka.ns-config.yaml 文件指定关键参数，包括：

• 机器人的 URDF 文件路径。

• 机器人实例使用的命名空间。

• 机器人实例的其他特定配置细节。

example.launch.py “包含” franka.ns-launch.py，该文件定义了机器人操作所需的核心节点。

franka.ns-launch.py 文件依赖于 ns-controllers.yaml 来配置 ros2_controller 框架。该配置确保控制器以与命名空间无关的方式加载，支持跨多个命名空间的一致行为。

ns-controllers.yaml 文件设计为可容纳零个或多个命名空间，前提是所有命名空间共享相同的节点配置参数。

每个配置和启动文件（franka.ns-config.yaml、example.launch.py、franka.ns-launch.py 和 ns-controllers.yaml）都包含详细的内联文档，指导用户理解其结构和使用方法。有关 ROS 2 中命名空间的更多信息，请参考 ROS 2 文档。

要执行 ns-controllers.yaml 中定义的任意示例控制器，可以使用 example.launch.py 启动文件，并通过命令行参数指定所需的控制器名称。

首先 - 根据你的设置修改 franka.ns-config.yaml。

然后，例如，要运行 move_to_start_example_controller，使用以下命令：

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=move_to_start_example_controller

非实时机器人参数设置

非实时机器人参数设置可以通过 ROS 2 服务完成。这些服务在机器人硬件初始化后被发布。

服务名称如下:

* /service_server/set_cartesian_stiffness
* /service_server/set_force_torque_collision_behavior
* /service_server/set_full_collision_behavior
* /service_server/set_joint_stiffness
* /service_server/set_load
* /service_server/set_parameters
* /service_server/set_parameters_atomically
* /service_server/set_stiffness_frame
* /service_server/set_tcp_frame

服务消息说明如下。

• franka_msgs::srv::SetJointStiffness 指定内部控制器的关节刚度（阻尼由刚度自动导出）。

• franka_msgs::srv::SetCartesianStiffness 指定内部控制器的笛卡尔刚度（阻尼由刚度自动导出）。

• franka_msgs::srv::SetTCPFrame 指定从 <arm_id>_EE（末端执行器）到 <arm_id>_NE（名义末端执行器）坐标系的变换。从法兰到末端执行器坐标系的变换分为两个部分：<arm_id>_EE 到 <arm_id>_NE 坐标系，以及 <arm_id>_NE 到 <arm_id>_link8 坐标系。<arm_id>_NE 到 <arm_id>_link8 坐标系的变换只能通过管理员接口设置。

• franka_msgs::srv::SetStiffnessFrame 指定从 <arm_id>_K 到 <arm_id>_EE 坐标系的变换。

• franka_msgs::srv::SetForceTorqueCollisionBehavior 设置外部笛卡尔力旋量的阈值，以配置碰撞反应。

• franka_msgs::srv::SetFullCollisionBehavior 设置笛卡尔空间和关节层面的外部力阈值，以配置碰撞反应。

• franka_msgs::srv::SetLoad 设置外部负载以进行补偿（例如抓取物体的重量）。

启动 franka_bringup/franka.launch.py 文件以初始化机器人硬件:

ros2 launch franka_bringup franka.launch.py robot_ip:=<fci-ip>

下面是一个最小示例：

ros2 service call /service_server/set_joint_stif
fness franka_msgs/srv/SetJointStiffness "{joint_stiffness: [1000.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0, 1000.0]}"

重要

非实时参数设置仅可在机器人硬件处于idle模式时进行。如果控制器处于活动状态并占用命令接口，机器人将进入move模式。在move模式下无法进行非实时参数设置。

重要

<arm_id>_EE 坐标系表示可配置末端执行器坐标系的一部分，可以在运行时通过franka_ros进行调整。<arm_id>_K 坐标系表示内部笛卡尔阻抗的中心，也作为外部力旋量的参考坐标系。<arm_id>_EE 和 <arm_id>_K 都不包含在 URDF 中，因为它们可以在运行时更改。默认情况下，<arm_id> 设置为 “panda”。

非实时 ROS 2 操作

非实时 ROS 2 操作可以通过ActionServer执行。提供以下操作：

• /action_server/error_recovery - 自动从机器人错误中恢复。

使用的消息如下：

• franka_msgs::action::ErrorRecovery - 无参数。

示例用法::

ros2 action send_goal /action_server/error_recovery franka_msgs/action/ErrorRecovery {}

已知问题

• 当在 MoveIt 中使用 fake_hardware 时，需要一些时间才能应用默认位置。

franka_example_controllers

该软件包包含了一些用于展示如何在 ROS 2 中编写控制器的示例控制器。目前，控制器只能访问测量到的关节位置和关节速度。基于这些信息，控制器可以发送力矩指令。目前尚不支持使用其他接口，例如关节位置接口。

示例控制器

该仓库附带了一些示例控制器，位于 franka_example_controllers 软件包中。

以下启动文件默认会启用夹爪。如果未安装夹爪，可以在启动文件中通过 load_gripper:=false 来禁用夹爪。

移动至起始位置

该控制器将机器人移动到其初始构型。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=move_to_start_example_controller

重力补偿

这是最简单的控制器，也是编写自定义控制器的良好起点。它向所有关节发送零力矩指令，意味着机器人仅补偿自身的重力。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=gravity_compensation_example_controller

夹爪示例

演示如何使用 Franka 动作接口（Action Interface） 控制 Franka Hand（即夹爪）。控制器会发送 目标（Goals），使夹爪以设定的抓取尺寸（包含公差 epsilon）反复执行闭合和张开操作。系统会根据物体的尺寸及设定的公差来判断抓取是否成功。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=gripper_example_controller

关节阻抗示例

该示例以较高的顺应性周期性地驱动第 4 和第 5 个关节。在运行时，用户可以尝试手动移动这些关节。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=joint_impedance_example_controller

带逆解（IK）的关节阻抗示例

该示例使用 MoveIt 服务中的 LMA-Orocos 求解器计算期望位姿对应的关节位置。期望位姿使末端执行器在 X 和 Z 方向上周期性移动。可以在franka_fr3_moveit_config软件包中的kinematics.yaml文件中更改运动学求解器。

ros2 launch franka_bringup joint_impedance_with_ik_example_controller.launch.py

模型示例控制器

这是一个只读控制器，会输出科氏力向量、重力向量、第 4 关节的位姿矩阵、第 4 关节的刚体雅可比矩阵，以及相对于基坐标系的末端执行器雅可比矩阵。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=model_example_controller

关节位置示例

该示例周期性地向机器人发送位置指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=joint_position_example_controller

关节速度示例

该示例周期性地向机器人的第 4 与第 5 个关节发送速度指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=joint_velocity_example_controller

笛卡尔位姿示例

该示例使用笛卡尔位姿接口向机器人周期性发送位姿指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=cartesian_pose_example_controller

笛卡尔姿态示例

该示例使用笛卡尔姿态接口，使机器人的末端执行器围绕 X 轴周期性地改变姿态。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=cartesian_orientation_example_controller

笛卡尔位姿肘部示例

该示例在保持末端执行器位姿不变的情况下，周期性地发送肘部控制指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=cartesian_elbow_example_controller

笛卡尔速度示例

该示例使用笛卡尔速度接口向机器人周期性发送速度指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=cartesian_velocity_example_controller

笛卡尔肘部示例

该示例使用笛卡尔肘部接口，在保持末端执行器速度恒定的情况下周期性地发送肘部控制指令。

ros2 launch franka_bringup example.launch.py controller_name:=elbow_example_controller

编写自定义控制器

与 franka_ros 相比，目前仅提供了较少的控制器接口：

• 关节位置

• 关节速度

• 测量力矩

• Franka 机器人状态

• Franka 机器人模型

重要

Franka 机器人状态由 franka_robot_state_broadcaster 软件包发布到主题/franka_robot_state_broadcaster/robot_state。

重要

建议通过 franka_semantic_components 类来访问 Franka 机器人状态和 Franka 机器人模型。它们在state_interface中以双指针形式存储，并在franka_semantic_component类中被还原为原始对象。

使用franka_model的示例可在franka_example_controllers软件包中找到：model_example_controller。

可以基于本软件包中的示例控制器编写自定义控制器。若需计算机器人的运动学与动力学量，可以结合关节状态与机器人 URDF 文件，使用例如 KDL 等库（该库也提供 ROS 2 版本）。

franka_hardware

软件包概述

该软件包包含适用于 ros2_control 的 franka_hardware 插件。该插件从机器人 URDF 中加载，并通过机器人描述传递给控制器管理器。

硬件接口

硬件插件为每个关节提供以下接口：

• position state interface：包含测量得到的关节位置。

• velocity state interface：包含测量得到的关节速度。

• effort state interface：包含测量得到的连杆侧关节扭矩。

• initial_position state interface：包含机器人的初始关节位置。

• effort command interface：包含期望的关节扭矩（不含重力补偿）。

• position command interface：包含期望的关节位置。

• velocity command interface：包含期望的关节速度。

附加状态接口

除了关节接口外，硬件插件还提供：

• franka_robot_state：包含机器人状态信息，详见 franka_robot_state。

• franka_robot_model_interface：包含模型对象的指针。

配置

机器人的 IP 地址将通过 URDF 中的参数读取。

与控制器的配合使用

控制器可通过标准的 ros2_control 框架访问这些接口。有关接口在实际中的使用示例，请参阅 franka_example_controllers 软件包。

franka_semantic_components

该软件包包含 franka_robot_model、franka_robot_state 和笛卡尔命令类。这些类用于转换存储在 hardware_state_interface 中的 franka_robot_model 对象和 franka_robot_state 对象（以双指针形式存储）。

有关如何使用这些类的更多参考，请参见：Franka Robot State Broadcaster 和 Franka 示例控制器 (model_example_controller)。

笛卡尔位姿接口

笛卡尔位姿接口

该接口用于通过借用的命令接口向机器人发送笛卡尔位姿命令。FrankaSemanticComponentInterface 类负责处理借用的命令接口和状态接口。在启动笛卡尔位姿接口时，用户需要向构造函数传递一个布尔标志，以指示该接口是否用于肘部。

auto is_elbow_active = false;CartesianPoseInterface 
cartesian_pose_interface(is_elbow_active);

该接口允许用户读取由 franka 硬件接口设置的当前位姿命令接口值。

std::array pose;
pose = cartesian_pose_interface.getInitialPoseMatrix();

用户还可以以 Eigen 格式读取四元数和位移值。

Eigen::Quaterniond quaternion;
Eigen::Vector3d translation;
std::tie(quaternion, translation) = cartesian_pose_interface.getInitialOrientationAndTranslation();

在设置好笛卡尔接口后，需要在控制器中调用 assign_loaned_command_interfaces 和 assign_loaned_state_interfaces。这些操作应在控制器的 on_activate() 函数中完成。示例可参见 分配借出的命令接口示例。

cartesian_pose_interface.assign_loaned_command_interfaces(command_interfaces_);
cartesian_pose_interface.assign_loaned_state_interfaces(state_interfaces_);

在控制器的 update 函数中，可以向机器人发送位姿命令。

std::array pose;
pose = {1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0.5, 0, 0.5, 1};
cartesian_pose_interface.setCommanded(pose);

或者，可以以 Eigen 格式发送四元数和位移值。

Eigen::Quaterniond quaternion(1, 0, 0, 0);
Eigen::Vector3d translation(0.5, 0, 0.5);
cartesian_pose_interface.setCommand(quaternion, translation);

笛卡尔速度接口

该接口用于通过借用的命令接口向机器人发送笛卡尔速度命令。FrankaSemanticComponentInterface 类负责管理这些借用的命令和状态接口。

auto is_elbow_active = false;
CartesianVelocityInterface cartesian_velocity_interface(is_elbow_active);

要向机器人发送速度命令，需要在自定义控制器中调用 assign_loaned_command_interface。

cartesian_velocity_interface.assign_loaned_command_interface(command_interfaces_);

在控制器的 update 函数中，可以向机器人发送笛卡尔速度命令。

std::array cartesian_velocity;
cartesian_velocity = {0, 0, 0, 0, 0, 0.1};
cartesian_velocity_interface.setCommand(cartesian_velocity);

机器人状态与模型访问

franka_gripper

该软件包包含用于与 Franka Hand 通信的 franka_gripper_node 节点。

动作与服务

franka_gripper_node 提供以下动作：

• homing - 复位夹爪，并根据安装的手指更新最大张开宽度。

• move - 以设定速度移动至目标宽度。

• grasp - 以给定的速度闭合夹爪，并在目标宽度和目标力下尝试抓取。当夹爪两指间的距离 d 满足 width - epsilon.inner < d < width + epsilon.outer 时，抓取被认为成功。

• gripper_action - 为 MoveIt 提供的专用抓取动作。

此外，还提供 stop 服务，用于中止夹爪动作并停止抓取。

使用方法

使用以下启动文件启动夹爪：:

ros2 launch franka_gripper gripper.launch.py robot_ip:=

在另一个终端标签页中，可以执行复位操作并发送抓取命令：:

ros2 action send_goal /fr3_gripper/homing franka_msgs/action/Homing {}
ros2 action send_goal -f /fr3_gripper/grasp franka_msgs/action/Grasp "{width: 0.00, speed: 0.03, force: 50}"

默认情况下，内外侧的 epsilon 均为 0.005 米。您也可以显式设置 epsilon 值：:

ros2 action send_goal -f /fr3_gripper/grasp franka_msgs/action/Grasp "{width: 0.00, speed: 0.03, force: 50, epsilon: {inner: 0.01, outer: 0.01}}"

要停止抓取，可使用 stop 服务：:

ros2 service call /fr3_gripper/stop std_srvs/srv/Trigger {}

与 franka_ros 的差异

• 此前所有的主题与动作均以 franka_gripper 为前缀。该前缀已更名为 panda_gripper，以便未来可以基于 arm_id 来统一命名，从而轻松支持多机械臂配置。

• 由于 stop 动作不可被抢占，因此现在将其实现为服务类型的动作。

• 除 gripper_action 外，所有动作均会返回当前夹爪宽度作为反馈。

franka_robot_state_broadcaster

该软件包包含只读的 franka_robot_state_broadcaster 控制器。

ros2 launch franka_bringup franka.launch.py robot_ip:=

franka_fr3_moveit_config

该软件包包含 MoveIt2 的配置文件。

运动组（Move Groups）

新增了一个名为 panda_manipulator 的运动组，其末端位于夹爪两指之间，并将 Z 轴旋转 -45 度，使得 X 轴朝向前方，从而更方便使用。原有的 panda_arm 运动组仍可用以保持向后兼容，但新应用推荐使用新的 panda_manipulator 运动组。

ros2 launch franka_fr3_moveit_config moveit.launch.py robot_ip:=<fci-ip>

ros2 launch franka_fr3_moveit_config moveit.launch.py robot_ip:=dont-care use_fake_hardware:=true

franka_gazebo

一个将 Franka ROS 2 与 Gazebo 仿真器集成的项目。

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py arm_id:=fp3

ros2 launch franka_gazebo_bringup visualize_franka_robot.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

colcon build --packages-select franka_example_controllers

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_velocity_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_position_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

colcon build --packages-select franka_ign_ros2_control

source install/setup.sh

ros2 launch franka_gazebo_bringup gazebo_joint_impedance_controller_example.launch.py load_gripper:=true franka_hand:='franka_hand'

export GZ_SIM_RESOURCE_PATH=${GZ_SIM_RESOURCE_PATH}:/workspaces/src/

franka_msgs

此包包含不同夹爪动作和机器人状态消息的定义。