对ROS/MoveIt中四元数的实际理解

Question

tl；dr：如何使用ROS MoveIt向6自由度机器人手臂发送“移动到（x、y、z、滚动、俯仰、偏航）”命令？

我正在尝试使用Python移动组界面，用ROS和MoveIt控制通用机器人UR5 6自由度机械臂。我缺少基本的“如何将机器人末端执行器发送到此点”控制。我把“末端效应器”解释为机器人末端的“手”。直观地说，我希望使用以下方法移动末端效应器：

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：

• 让罗斯在Move Group Python Interface之间交谈并移动机器人
• 对what a quaternion is的一般理解
• ROS documentation on quaternions
• What's a Quaternion Rotation (Stack Overflow)

其他一些信息：

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

问题

• 我的研究表明（x，y，z，w）形式的四元数只描述三维空间中的旋转。如果只获取旋转信息，机器人如何知道移动到哪个位置
• 我可以将（x、y、z、滚动、俯仰、偏航）转换为四元数吗？或者这些描述了两种不同的东西
• 四元数是否必须标准化，使平方和等于一？如果是这样的话，我怎么能告诉我的机器人手臂去太空中的一个物理点，比如（0.5米，0.3米，0米）
• 有人能用四元数（4D）来解释旋转（3D）的外行术语吗

Answer 1

My research says that a quaternion of form (x, y, z, w) describes rotation in 3D space only. How does the robot know what position to move to if it only gets rotation information?

正确，四元数仅描述帧的方向；您还需要指定帧的位置，以获得完整的姿势。四元数只是描述物体方向的一种不同方法，另一种方法是，正如您已经提到的，使用欧拉角（偏航、俯仰、滚动）

在使用pose_goal对象的情况下，需要通过设置x、y和z组件（即机器人在三维空间中的位置）来指定所需/目标机器人姿势的位置，然后还需要使用四元数表示法w、x来指定所需/目标机器人姿势的方向y和{}设置{}的组件（注意{}、{}和{}四元数的部分与位置向量不同，它们是不同的东西）。一旦定义了{}和{}您就完成了，您就有了一个完整的姿势，可以发送给MoveIt！来计划和执行

Can I convert from (x, y, z, roll, pitch, yaw) to a quaternion? Or do those describe two different things?

这里，x, y, z是你的位置向量，它与方向无关（因此与四元数无关），所以你的问题应该是，“我能把欧拉角（横摇、俯仰、偏航）转换成四元数吗？”答案是，你可以将欧拉角转换成四元数，但这可能很棘手。如果你可以用四元数来表示方向（即，如果你已经有了这个信息），你应该使用它，因为四元数在数值上更稳健，而且不会出现奇异现象（例如，欧拉角可能导致万向节锁，在特定配置下，系统会失去一定的自由度）

如果您有权访问四元数，请使用它并忘记Euler角度，否则您可能希望尝试使用ROS的tf库使用以下方法将Euler角度转换为四元数：

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)

请参见^{}，其中ai、aj、ak分别为横摇、俯仰和偏航，axes参数定义了应用角度的顺序（这非常重要）

（我自己还没有测试过，但可能值得一试）

Can someone provide a layman's terms explanation of describing rotation (3D) with a quaternion (4D)?

四元数有点复杂，但有一个很棒的视频here以互动的方式解释它们。一般来说，根据我的经验，四元数在开始时可能有点令人沮丧，你可能会发现最初很难掌握这个概念，所以在研究它们时请记住这一点，并保持耐心