ROS+TMC4671实现机器人控制系统快速开发

在开发机器人硬件的过程中，面临着一系列技术挑战。其中一项重要挑战就是如何与电机进行有效通信，并按照实时生成的轨迹向其发送精确指令。由于电机需要根据轨迹精准执行动作，并且受到严格的时间限制，因此电机驱动器和控制器之间的通信必须无缝衔接。控制器还需要从电机接收最新的关节状态信息，包括位置、速度和力，以便准确验证轨迹的执行情况。而生成轨迹并将其发送给电机驱动器则是另一项关键任务。

为了满足这些严苛的要求，我们借助了机器人操作系统（ROS）框架提供的多种工具，如ROS-control和ROS-Moveit。ROS框架是机器人软件开发领域的一项创新，它集成了最先进的算法和工具，极大地简化了机器人硬件和软件的开发过程。

在控制关节作动器时，我们可以选择不同的方法，如指定关节位置、关节速度或关节作用力，这完全取决于应用所需的控制水平。通常情况下，如果低级处理如速度和扭矩控制环路都在硬件驱动内部执行，那么直接通过关节位置命令执行器就会变得相对简单。如果我们选择使用关节或关节作用力来命令执行器，就必须通过运行命令设备上的控制环路来生成位置接口，这通常涉及到运行ROS control实例的linux机器。

ROS-CONTROL是ROS框架中的一个软件包，它能够与多种硬件实例对接。它通过提供控制环路实现的抽象表示，使得控制任意电机或执行器变得简单，而无需考虑其硬件接口的具体细节。根据官方文件，ROS-control原生支持四种类型的硬件接口：关节命令接口、作用力关节接口、速度关节接口和位置关节接口。它还支持关节状态接口，这使我们能够实时了解机器人的运行状态。通过理解这些接口的工作原理和作用，我们可以更加有效地开发和调试机器人硬件，确保机器人能够按照我们的指令精准地执行任务。概念图：ROS硬件接口存储器】源自ros_control。

从这张图中，我们可以清晰地看到ROS control是如何通过存储器位置与执行器及电机进行通信的。想象一下，如果我们需要通过位置接口来命令电机，那么ROS control只需在特定的存储器位置“pos_cmd_”写入所需的位置值，这个值随后会通过电机的通信接口被传输到电机。以带有Landungsbrücke的TMC4671评估套件为例，这些接口可以灵活选择，如RS232、USB串口或RN171XV/RN42XV无线模块。对于速度和作用力接口，操作同样简单，只需将相应的要求值写入预定义的存储器位置即可。

那么，如何读取电机的关节状态呢？答案和发送命令一样直观：关节值被读入到存储器位置“pos_”、“vel_”和“eff_”。要命令和读取关节接口，只需按照一定的时间间隔更新这些存储器位置。这一过程可以通过以下代码片段轻松理解：

```cpp

class trinamic : public hardware_interface::RobotHW {

public:

trinamic(); // 利用构造函数进行初始化，例如设置通信接口，在我们的Landungsbrücke实现中为串口。

void read(); // 定期调用此函数以读取存储器位置

void write(); // 定期调用此函数以更新存储器位置

};

```

在ROS控制器方面，当硬件接口启动并运行时，我们可以启动多种控制器，如position_controllers、velocity_controllers、joint_state_controller以及joint_trajectory_controller。这些控制器可以看作是硬件接口在ROS topics上的抽象表示。例如，我们可以使用速度关节接口启动position_controller，使控制环路在主机上运行。值得注意的是，joint_trajectory_controller兼容所有类型的关节命令接口。我们必须始终注意避免冲突，确保没有两个控制器同时访问相同的硬件接口。

建立ROS CONTROL和TMC4671之间的通信十分便捷，这要归功于TMCL API以及Landungsbrücke的中间角色。通过USB串口建立通信后，我们可以发送命令位置（因为我们在操作硬件接口），并传输关节位置。Landungsbrücke接收到我们的命令位置后，会通过SPI将其写入到寄存器0x68（PID_POSITION_TARGET）。它还可以从寄存器0x6B（PID_POSITION_ACTUAL）获取当前位置，并通过USB串口发送回来。由于所有这些都是32位有符号整数，因此数据被组织成4个单字节无符号整数进行发送和接收。视频】TMC4671硬件伺服控制芯片配置实操指南

引领你步入伺服控制领域的核心领域，如何设置TMC4671硬件伺服控制芯片？你需要通过TMCL-IDE软件按照电机的特定参数对TMC4671进行初始配置。详细的步骤，建议观看我们的配置实操指南视频。

接下来的步骤是更新ROS_control.c中的init_motor()函数，使其能从IDE接收寄存器设置。然后，你可以在任何工作区下载ROSpackage，并通过启动文件启动硬件接口。随着ROS control节点的启动，你可以创建任何与之兼容的ROS控制器。控制器的配置可以在controller.yaml文件中完成。

使用TMC4671进行位置控制时，PI增益的调整是核心环节，它关乎速度和位置控制环路的稳定性。虽然可以使用寄存器0x58和0x5A进行手动调整，但我们强烈建议你不要轻易尝试，以免出现不稳定的情况。

参考文献：

S.Chitta等多位专家共同撰写的论文《ros_control: A generic and simple control framework for ROS》。这篇论文深入探讨了ros_control框架的通用性和简单性，为我们理解和应用TMC4671硬件伺服控制芯片提供了宝贵的理论依据和实践指导。