本文總結了筆者在學習使用Franka Panda機器人時的一些方法和經驗總結。
文章目錄
從零開始
準備：
- 一臺Franka Panda機器人（確定已購買科研包）。
- 一臺運行Linux系統的PC。
- 一根儘可能好的以太網線。
基礎知識：
- 機器人學基礎。
- C++編程基礎。
- Linux操作系統基礎。
- ROS系統基礎。
更多使用方法請參考FCI手冊。
搭建好你的工作空間後，可以考慮先用機器人自帶的Desk界面先試用一下。首先用以太網線連接工作站（臺式機或筆記本，這裏簡稱工作站）和機器人。注意Franka機器人有兩個以太網口，一個在機器人底座上，一個在控制櫃上。二者是不同的，但是都可以使用。
- 如果連接到機器人底座，此時機器人是server模式，可以通過“robot.franka.de”訪問desk。
- 如果連接到控制櫃，此時機器人是client模式，只能通過ip地址訪問desk。
Desk的用法十分簡單，此時不做介紹。
軟件安裝
強烈推薦使用Linux系統，這樣可以省去很多麻煩。Franka編程一般時兩種模式，即使用ROS或者直接調用API。這裏假設兩種方法全都需要。
筆者使用的操作系統是 Ubuntu 16.04 （64位）。
首先安裝ROS
筆者安裝的是 Kinetic Kame 版本。Franka官網其實也支持 Ubuntu 18.04 以及對應的ROS版本 Melodic Morenia。ROS的安裝十分簡單，ROS wiki中有詳細敘述，此處從略。
安裝franka_ros
有兩種安裝方式，即直接使用binary package安裝和從source搭建。通常情況下前一種方式就足夠了。
sudo apt-get install ros-kinetic-libfranka ros-kinetic-franka-ros
安心等待安裝完即可，這個過程有點費時。
注意以上方法安裝完成後，libfranka會被安裝到ROS的目錄下，且安裝的不一定是最新版本。如果要使用最新版本，需要使用源碼編譯，下文中介紹libfranka和franka_ros時會提到。
編譯real-time內核
使用Franka需要實時內核。這與一般的機器人如UR是有區別的。linux的實時內核的構建方法有多種，這裏給出筆者的方法。更多方法請參考其它參考部分。
首先查看當前系統的Linux內核版本，方法是在終端輸入：uname -r
隨後終端會提示當前Linux內核的版本，筆者的是4.15.0-generic。注意這不是實時內核，我們需要自行安裝編譯實時內核。選擇實時內核的版本沒有什麼推薦，自己選一個就好。可以安裝多個內核並在高級啓動時自行切換。
內核的安裝編譯方法可參考Franka FCI手冊，但是該方法在網絡連接不暢時極其慢，不推薦使用。筆者採用的是此文的方法。選擇的內核版本是4.19.82-rt30。注意：選擇實時內核版本時，不必選擇與自帶內核號一致的版本。也可以安裝對應的generic內核，這是非必要的。有時候甚至可能出現在某一版本內核下編譯出錯，換一個內核卻可以的情況。
編譯過程非常費時，完成後需要調整默認的內核啓動系統才能自行進入實時內核。對於沒有安裝雙系統的用戶PC啓動時可能不會出現高級啓動選項。解決方法是在啓動PC並彈出品牌logo時狂按右邊的shift鍵，隨後黑屏時按住右邊的shift鍵不放手。隨後系統會進入高級啓動選項。
注意：有些時候可能會無法進入所選內核，系統提示“vmlinuz-… invalid signiture”，解決方案是在BIOS裏面關閉Secure boot功能。
系統啓動後別忘了用uname -r或者uname -a檢查內核是否已經正確切換到實時內核。
注意：內核是安裝在系統的boot分區下的，因此務必保證該分區空間充足，如何希望保存兩個內核（ generic 和 rt 內核）的話，建議boot分區大於4G，以便後續內核更新不會出現問題。
禁用CPU節能策略
爲了安全性和性能起見，建議配置完成後關閉系統的CPU頻率調整功能。
首先安裝工具cpufrquentiles：
sudo apt install cpufrequtils
完成後，運行cpufreq-info查看當前CPU狀態，當前“governor”屬性可能是“powersave”模式，我們需要將其修改爲“performance”模式。
cpufreq-info
修改方法有多種，可以採用indicator-cpufreq工具在UI界面手動修改。也可通過指令修改，運行如下指令：
sudo systemctl disable ondemand
sudo systemctl enable cpufrequtils
sudo sh -c 'echo "GOVERNOR=performance" > /etc/default/cpufrequtils'
sudo systemctl daemon-reload && sudo systemctl restart cpufrequtils
使用過程中遇到的其它問題可參考FCI手冊中Troubleshooting欄目。
libfranka使用指南
如果只是單純開環控制機器人，對反饋信號等沒有要求，使用libfranka提供的C++ API是一種更方便的編程方法。該方法同樣也適用於Windows系統。
爲了節省頁面，libfranka 的詳細使用方法請參考此文。 本文中不做詳細介紹，僅探討基本思想。
源碼編譯
這裏首先介紹下libfranka的源碼安裝編譯方法，注意如果已經採用上述方法安裝ros-kinetic-libfranka，那麼此步驟可以跳過，libfranka已經被默認安裝在ROS目錄下(/opt/ros/kinetic/)。但是，如果想要安裝最新版本的libfranka，必須採用源碼編譯，且在此之前必須刪除之前安裝的libfranka和franka_ros以防衝突。
sudo apt remove "*libfranka*"
第1步，刪除完成後，首先安裝依賴庫：
sudo apt install build-essential cmake git libpoco-dev libeigen3-dev
第2步，找到一個合適的位置，從Github下載源碼，並進入libfranka源文件夾：
git clone --recursive https://github.com/frankaemika/libfranka
cd libfranka
第3步，在源文件夾下創造一個名爲build的路徑，並在其中啓動CMake編譯：
mkdir build
cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
cmake --build .
HelloWorld
libfranka自帶的例程對於理解libfrank非常有效，本節簡單介紹下例程的使用方法。機器人上電後，首先通過瀏覽器進入Desk界面，此時機器人是鎖定狀態（黃色燈亮），在Desk界面接觸鎖定，進入準備運動模式（藍色燈亮）。
以Linux系統（Ubuntu 16.04）爲例，首先找到libfranka文件夾所在路徑。如果讀者是採用apt-get install安裝的，那麼去/opt/ros/kinetic/下找；如果讀者採用源碼編譯，那麼去保持源碼的路徑下找。
在libfranka路徑下首先找到 examples 文件夾，該文件夾下保存了所有的示例C++代碼。如要運行，在libfranka/build/examples/ 路徑下已有生成的可執行文件。此時保持機器人控制櫃與計算機工作站連接，且機器人處於準備運動模式（藍色燈亮），執行如下指令：
./communication_test "172.16.0.2"
這裏以通信測試爲例，其它類似，注意第一個參數是機器人的IP地址。官方推薦使用機器人控制櫃與計算機工作站連接，當然連接機器人底座亦可，只不過IP地址要換成hostname，筆者不曾嘗試過。開始運行時例程會提示保持急停按鈕在操作者手中，並按Enter繼續。可以看到機器人運動到一個位姿，終端輸出通信測試結果。
機器人控制
Franka機器人控制必須以實時（Real-Time）方式進行，如上圖所示。libfranka中，定義了一個名爲"franka"的命名空間，其中最重要的是“franka::Robot”類，該類用於與機器人通信（I/O）。libfranka提供多種控制信號輸入模式，笛卡爾空間位置、速度，關節空間位置、速度，關節力矩。這些均由一個多態的“franka::Robot::control”方法實現。
控制算法主要通過回調函數實現，官方例程如下：
double time = 0.0;
auto control_callback = [&time](const franka::RobotState& robot_state,
franka::Duration time_step) -> franka::JointPositions {
time += time_step.toSec(); // Update time at the beginning of the callback.
franka::JointPositions output = getJointPositions(time);
if (time >= max_time) {
// Return MotionFinished at the end of the trajectory.
return franka::MotionFinished(output);
}
return output;
}
注意Franka機器人工作頻率是1kHz，也就是說回調函數必須在1ms之內執行完成（注意這1ms指的是整個控制週期，包括通信部分，實際留給回調函數的通常不到300um）。回調函數有兩個參數
- franka::RobotState：結構體，內含機器人的各種狀態，如關節角。
- franka::Duration：類，毫秒級時間。
通過 franka::Duration 類對象的 toSec() 方法返回時間信息（double，通常是0.001）可以實現插值。上述例程的控制模式爲 franka::JointPositions 。結束這個回調函數循環使用 franka::MotionFinished 該函數的輸入參數是當前控制模式下最後一個控制指令（如例程中式 franka::JointPositions 類型變量），返回值也是也是該類型指令對象，只不過該指令對象的 motion_finished 屬性被賦值爲 true。
如下圖所示，使用 franka::Robot::control 方法可以實現兩類實時功能：
- 運動生成
- 機器人控制
libfranka提供4種類型的運動生成器，如下圖所示：
具體操作及其它功能可參考官方文檔及例程。
libfranka運動生成器和控制器的作用機理可參考下圖：
控制機器人的信號實際上是帶有下標d的信號（desired），用戶可以實時獲取該信號來檢查信號被濾波或者是否有丟包現象。
信息輸出
Franka 自帶重點摩擦補償機制。由於有關節力矩傳感器，使得其零力控制性能相對於UR之類的機器人更加靈敏順暢。打開示教模式（白色燈亮），用戶可以通過機器人末端的Pilot實現拖動示教，並記錄一些信息。libfranka中，機器人狀態由 franka::RobotState 結構體管理，實時讀取的頻率也是1kHz，讀取數據由 franka::Robot::read 函數管理。
franka::RobotState 結構體提供了豐富的信息，主要包括三類：
- 關節空間信息：如關節角度、角速度、關節力矩、估計出的外部力矩、碰撞/接觸狀態等。
- 笛卡爾空間信息：末端參數、末端位置、速度、估計出的外部扭矩等。
- 接口信號：最後一個控制信號和期望信號等。
機器人模型庫
模型庫可以提供運動學與動力學參數，包括：
- 前向運動學。
- 雅可比矩陣。
- 動力學參數：質量矩陣、科氏力和向心力向量、重力向量。
使用機器人模型庫讀者可以計算任意姿態下的參數，不必是機器人當前姿態下的參數。具體用法可參考例程。
電爪控制
Franka 自帶的電爪可以做很多事情，使用非常方便。電爪的控制是非實時（blocking）的，如下圖所示。
電爪的控制由 franka::Gripper 類管理。
franka_ros使用指南
franka_ros是基於libfranka開發的ROS套件，包含了libfranka的主要功能。
源碼編譯
如果讀者已經按照第1節中使用apt-get安裝完成franka_ros，可以跳過此步驟。注意，如果讀者執行了上一節中libfranka源碼編譯過程，那麼此時對於franka_ros需要重新源碼編譯。
第1步，找到一個合適的位置，建立catkin工作空間，這個過程與普通ROS工作空間的建立沒什麼區別：
mkdir -p catkin_ws/src
cd catkin_ws
source /opt/ros/kinetic/setup.sh
catkin_init_workspace src
第2步，從Github下載franka_ros：
git clone --recursive https://github.com/frankaemika/franka_ros src/franka_ros
第3步，安裝依賴庫：
rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro kinetic -y --skip-keys libfranka
第4步，採用catkin_make編譯catkin工作空間，注意調整libfranka的路徑：
catkin_make -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DFranka_DIR:PATH=/path/to/libfranka/build
source devel/setup.sh
以上就是franka_ros的源碼編譯流程。
（未完待續……）
Moveit!
使用Moveit規劃控制Franka是非常的容易，因爲Moveit官網教程就是用Franka作爲例子進行講解的。Moveit具體的安裝、配置、使用方法官網教程十分詳細，此處從略。
（持續更新中……）
CoppeliaSim仿真
CoppeliaSim（原名：V-REP）是一個非常方便的開源仿真工具，其特性請參考官網。4.0.0版的CoppeliaSim自帶Franka機器人的模型，非常方便。不過該模型沒有帶官方的電爪。
（持續更新中……）
其它參考
Emika Franka 官方資料
如何構建實時內核