ROS / MoveIt中四元数的实用理解

Question

博士:如何使用ROS MoveIt发送一个6自由度的机器人手臂“移动到(x，y，z，滚，俯仰，偏航)”命令？

我正试图使用，用ROS和MoveIt控制一个通用机器人6自由度机器人手臂。我错过了基本的“如何发送机器人末端执行器到这一点”的控制。我把“末端执行器”解释为机器人末端的“手”。直觉上，我想让末端效应器移动，使用如下所示：

pose_goal.position.x = x_coordinate # x, y, z, r, p, y are in a fixed reference frame
pose_goal.position.y = y_coordinate
pose_goal.position.z = z_coordinate
pose_goal.orientation.roll = roll_angle
pose_goal.orientation.pitch = pitch_angle
pose_goal.orientation.yaw = yaw_angle

move_group.set_pose_target(pose_goal)
plan = move_group.go(wait=True)

但是，geometry_msgs.msg.Pose()对象需要格式为(x，y，z，w)的四元数。

我做过/研究过的一些事情：

• 让ROS与机器人交谈并移动机器人通过移动组Python接口
• 对什么是四元数的一般理解
• 关于四元数的ROS文档
• 什么是四元数旋转(堆栈溢出)

其他信息：

• 在Ubuntu 18.04上运行ROS旋律
• 在UR5和Gazebo中模拟RViz机器人手臂，但也有物理手臂

问题

• 我的研究表明，四元数的形式(x，y，z，w)只描述3D空间中的旋转。如果机器人只获得旋转信息，它如何知道移动到哪个位置？
• 我能从(x，y，z，滚，俯仰，偏航)转换成四元数吗？或者这些描述了两种不同的东西？
• 四元数是否必须标准化，使平方之和等于1？如果是这样的话，我怎样才能告诉我的机器人手臂到达空间中的物理点，比如(0.5m，0.3m，0m)？
• 有人能用四元数(4D)来解释旋转(3D)的外行术语吗？

Answer 1

我的研究表明，四元数的形式(x，y，z，w)只描述3D空间中的旋转。如果机器人只获得旋转信息，它如何知道移动到哪个位置？

正确，四元数只描述框架的方向；您还需要指定框架的位置才能有完整的姿态。四元数只是一个不同的方式来描述一个物体的方向，另一种方式是，正如你已经提到的，使用欧拉角(偏航，音调，滚动)。

在使用pose_goal对象的情况下，您需要通过设置pose_goal.position的x、y和z组件(这是机器人在3D空间中的位置)来指定期望的/目标机器人姿态的位置，然后使用四元数表示法w、x、y和z来设置pose_goal.orientation的组件(注意x、y和d14部分与您的位置向量不相同)来指定所需的机器人/目标机器人姿态的方向。一旦你同时定义了pose_goal.position和pose_goal.orientation，你就有了一个完整的姿势，可以发送到MoveIt！计划和执行。

我能从(x，y，z，滚，俯仰，偏航)转换成四元数吗？或者这些描述了两种不同的东西？

在这里，x, y, z，你的位置矢量与方向无关(因此与四元数无关)，所以你的问题应该是，“我能把欧拉角(滚动，俯仰，偏航)转换成四元数吗？”答案是，是的，你可以把欧拉角转换成四元数，但这可能很棘手。如果您可以使用四元数表示方向(即，如果您已经有此信息)，您应该使用它，因为四元数更健壮，而且它们没有奇异性(例如，欧拉角可能导致Gimbal锁，在特定的配置下，系统失去了一定程度的自由度)。

如果您可以访问四元数，使用它并忘记欧拉角，否则您可能想尝试使用ROS的tf库使用以下方式将欧拉角转换为四元数：

from tf.transformations import quaternion_from_euler

# Pose Position
pose_goal.position.x = x_coordinate
pose_goal.position.y = y_coordinate
pose_goal.position.z = z_coordinate

# Pose Orientation
quaternion = quaternion_from_euler(roll_angle, pitch_angle, yaw_angle)

pose.orientation.x = quaternion[0]
pose.orientation.y = quaternion[1]
pose.orientation.z = quaternion[2]
pose.orientation.w = quaternion[3]

move_group.set_pose_target(pose_goal)
plan = move_group.go(wait=True)

参见tf.transformations.quaternion_from_euler(ai, aj, ak, axes='sxyz')，其中ai、aj、ak分别为滚动、俯仰和偏航，axes参数定义了应用角度的顺序(这非常重要)。

(还没有亲自测试过，但可能值得一试)

有人能用四元数(4D)来解释旋转(3D)的外行术语吗？

四元数是有点复杂，但有一个伟大的视频这里解释他们的互动方式。一般来说，在我的经验中，四元数在一开始可能会有点令人沮丧，你可能会发现最初很难理解这个概念，所以在学习时要记住这一点，并且要有耐心！