Mobile Navigation and Manipulation - Configuration and Control of the KMR iiwa with ROS2

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler å kontrollere en mobil robot, KMR iiwa, produsert av KUKA, via interaksjon med ROS2. En KMR iiwa består av en robot arm, LBR iiwa 14 R820, som er montert på en mobil platform, KMP 200 omniMove.

Det er ønskelig at det implementerte systemet kan gjennomføre et scenario der roboten kan plukke opp og frakte objekter mellom arbeidsstasjoner. Til dette bruker systemet den mobile basen og manipulatoren, i tillegg til eksterne sensorer og aktuatorer. En kommunikasjonsarkitektur er utviklet for å overføre data mellom enhetene og ROS2. Deretter blir ROS2 pakker brukt for å gjennomføre de ulike deloppgavene. Disse kan deles inn i SLAM, navigering, bevegelse av manipulator og gjenkjenning av objekter. Konseptet behavior tree brukes for å ta avgjørelser og bytte mellom oppgaver, noe som knytter hele systemet sammen.

Et helhetlig system som er tilpasset miljøet og det utstyret som er tilgjengelig på robotlaboratoriet har blitt utviklet. Systemet er verifisert gjennom eksperimenter der roboten bruker de ulike ROS2 pakkene til å gjennomføre oppgaver. For å kunne observere hele miljøet var det ønskelig å komplementere de integrerte laserne på KMR iiwaen med RGB-D kameraer. Ulike sensorkonfigurasjoner og teknikker har derfor blitt undersøkt og testet for å lage et kart som representerer det fullstendige miljøet på laboratoriet. Ettersom KMR iiwaen er en stor, rektangulær robot som kjører holonomisk, krevde ROS2 pakken som er brukt for navigering grundig gjennomgang av parametere. Resultatet er en robot som trygt kan navigere rundt på egenhånd. For å bruke manipulatoren måtte roboten gjøres kompatibel med bevegelsesplanleggeren i ROS2. Dette krevde undersøkelser av de tilgjengelige bevegelsene for LBRen. En enkel detekteringsmodell er brukt til å lokalisere objekter som kan plukkes opp og fraktes på roboten. Til slutt presenterer vi forslag til hvordan systemet kan utvikles videre.

Denne masteroppgaven presenterer et robotsystem som er relevant, og har stort potensial, for industrien. Det implementerte systemet danner et grunnlag for å kunne gjennomføre videre forskning og interessante eksperimenter med en KMR iiwa.

This thesis investigates how to operate a mobile robot, the KMR iiwa, manufactured by KUKA, through interaction with ROS2. The KMR iiwa consists of a robot arm, LBR iiwa 14 R820, mounted on the base of a mobile platform, KMP 200 omniMove.

It is desired that the implemented system accomplish a fetch and carry scenario between work stations. The system utilizes the mobile base and the manipulator, the integrated sensors of the KMR iiwa, in addition to external sensors and actuators. To enable transmission of data between the devices and the ROS2 framework, a communication architecture is developed. Different ROS2 stacks are used to perform the subtasks, which are split into SLAM, mobile navigation, motion planning and control of a manipulator and object detection. A behavior tree, which is a decision-making mechanism, connects the system.

A comprehensive system that is suitable for the environment and the tools available at the laboratory is developed. The system is verified through experiments where the robot is interacting with the relevant ROS2 stacks. It was desired to complement the integrated lidars of the KMR iiwa with RGB-D cameras to capture the environment in three-dimensional space. Configurations of sensors and techniques have been investigated to create a map of the environment that fully represents the scene. The ROS2 stack for navigation required comprehensive tuning to interact with a large and rectangular robot with holonomic drive. The results presented within navigation concerns how the KMR iiwa can be operated safely in the environment. Within manipulation, motion commands available for the LBR have been explored to make it compatible with the ROS2 motion planner. A proof-of-concept object detection model is developed to localize objects to be grasped and carried by the robot. Finally, suggestions on how the system can be further developed are presented.

This thesis presents a robot system with high relevance and potential for the industry. The system creates a foundation for being able to perform further research and interesting experiments with the KMR iiwa.