Qu'est-ce que MoveIt 2 ?

MoveIt 2 est une boîte à outils ROS 2 pour :

• La cinématique (directe et inverse)
• La planification de trajectoire
• L’évitement d’obstacles
• Le contrôle de bras robotisés
• L’interface avec des capteurs (vision, feedback)

Pourquoi MoveIt 2 pour la manipulation ?

• Centralise tous les outils nécessaires pour manipuler un robot articulé
• Intègre des solveurs puissants : FK, IK, OMPL
• Facilement utilisable avec RViz et Gazebo
• Compatible avec plusieurs robots : bras, humanoïdes, AMR...

Bras robotique : DDL, joints, espace des joints

Définition d’un joint

Un joint (ou axe) permet un mouvement angulaire (rotation) ou linéaire (translation).

Il peut être commandé :

• en position :
  rad
• en vitesse (vélocité) :
  rad/s
• en couple (torque) :
  Nm

Chaque joint apporte un Degré De Liberté (DDL)

Espace des joints vs espace cartésien

• Espace des joints = angles ou positions des axes (variables internes)
• Espace cartésien = position et orientation de l’effecteur (sortie)

Redondance d’un robot

Un bras est redondant s’il possède plus de degrés de liberté (DDL) que nécessaire pour atteindre une position + orientation dans l’espace.

En 3D :

• 3 DDL pour la position (x, y, z)
• 3 DDL pour l’orientation (roll, pitch, yaw)
  → 6 DDL requis

Donc :

• Bras à 6 DDL = juste ce qu’il faut de DDL
• Bras à 7+ DDL = redondant

Avantages des bras redondants

• Génèrent une infinité de solutions IK
• Permettent de choisir une configuration optimale selon :
  • Évitement d’obstacles
  • Minimisation des efforts
  • Contraintes mécaniques (souplesse, amplitude)

Singularités d’un bras robotique

Définition :
Une singularité est une configuration particulière du robot où l’on perd un degré de liberté pour contrôler l’effecteur dans l’espace cartésien.

Types de singularités

• Singularité de position : Impossible de déplacer l’effecteur selon une certaine translation
• Singularité d’orientation : Impossible de faire tourner l’effecteur autour d’un axe donné
• Singularité cinématique : Le robot devrait bouger un joint à vitesse infinie pour maintenir la trajectoire.
  La matrice jacobienne n’est plus inversible

Cinématique directe (FK) vs inverse (IK)

Cinématique directe (FK)

FK (Forward Kinematics) :
On connaît les angles des joints → on calcule la position et l’orientation de l’effecteur.

Unique solution

Exemple :

• , ..., → position cartésienne

Cinématique inverse (IK)

IK (Inverse Kinematics) :
On connaît la position cible de l’effecteur → on cherche les angles des joints.

Résolution complexe :

• Il peut y avoir plusieurs solutions valides
• Il peut ne pas y avoir de solution si :
  • la cible est en dehors de l’espace de travail du robot
  • la forme du robot ne permet pas d’atteindre la cible
  • la configuration actuelle mène à une singularité

Choix d'une solution d'IK

Quand plusieurs solutions existent, on choisit celle qui :

• Respecte des contraintes secondaires (évitement d’obstacles, effort minimal)
• Fait partie de l’espace nul : l’ensemble des configurations de joints possibles permettant d’atteindre le même point cartésien.

Résolution de l’IK : méthodes

Méthode analytique

• Résolution exacte par équations trigonométriques
• Rapide et précise
• Difficile à généraliser sur les robots complexes

Méthode numérique

• Utilise la matrice jacobienne
• Trouve une solution approchée
• Par optimisation (descente de gradient, moindres carrés...)
• Peut échouer près des singularités

Par apprentissage et IA

• Réseaux de neurones entraînés à résoudre l’IK
• Potentiellement rapide et généralisable
• Nécessite beaucoup de données d’entraînement

Modélisation et représentation du robot dans ROS 2

URDF : Description structurelle du robot

Le fichier URDF (Unified Robot Description Format) est un fichier XML qui décrit un robot :

• Liste des liens (segments) et joints (articulations)
• Formes géométriques (box, cylinder, sphere) ou meshes
• Modèle visuel et collision
• Compatible avec les simulateurs (RViz, Gazebo, MoveIt…)

Extensions

• Xacro : version paramétrée de l’URDF (génère du XML)
  • Permet les variantes, boucles, inclusions
• Publié sur le topic : /robot_description

SRDF : Description sémantique

Le fichier SRDF (Semantic Robot Description Format) complète l’URDF avec des informations utiles à la planification :

Contenu du SRDF

• Groupes de joints (ex : bras droit, base mobile, pince…)
• États prédéfinis (ex : bras replié, pince ouverte…)
• Effecteurs finaux (gripper, ventouse, outil...)
• Joints virtuels (connexion entre le robot et le monde)
• Collisions désactivées
  • Liens toujours en contact
  • Collisions géométriquement impossibles

L’arbre de transformations tf2

Le module tf2 permet de gérer dynamiquement les relations spatiales (position + orientation) entre tous les objets et parties d’un robot.

Ce que fait tf2

• Gère les changements de repère :

  • entre les liens du robot (épaule, coude, pince…)
  • entre le robot et les objets de la scène (table, cible, capteur…)

• Garde un petit historique dans le temps :

  • pour savoir où était un objet il y a quelques secondes
  • ou pour compenser un décalage temporel (ex. avec un capteur)

Planification de trajectoires : OMPL

OMPL : Open Motion Planning Library

OMPL est une bibliothèque d’algorithmes de planification de trajectoires.

Elle est utilisée pour trouver un chemin valide entre deux positions d’un robot, en évitant les obstacles.

OMPL est intégrée directement dans MoveIt 2

Que fait OMPL ?

• Cherche une trajectoire réalisable entre une position de départ et une cible
• Respecte les limitations du robot (longueur, collisions, etc.)
• Utilise des algorithmes de planification :

Exemples :

• RRT (Rapidly-exploring Random Trees)
• PRM (Probabilistic Roadmap)
• KPIECE, LBTRRT, EST...

Certains sont aléatoires → ils ne donnent pas toujours le même résultat.

MoveIt 2 : planification de mouvement

MoveIt 2 est une boîte à outils complète pour la manipulation robotique.

Il s’appuie sur :

• l’URDF + SRDF du robot
• tf2 pour connaître les positions
• OMPL pour planifier les trajectoires
• RViz pour visualiser et interagir
• ROS 2 pour exécuter les mouvements

Le pipeline de MoveIt 2

1. L’utilisateur donne un objectif (pose cible)
2. MoveIt utilise OMPL pour trouver un chemin
3. Le chemin est validé (sans collision)
4. Il est converti en commandes
5. Le robot exécute le mouvement

move_group : le cœur de MoveIt 2

move_group est le nœud principal de MoveIt 2.
Il agit comme un chef d’orchestre qui coordonne tous les composants de la planification et du mouvement du robot.

Que fait move_group ?

• Reçoit les objectifs de mouvement (position, orientation, état cible…)
• Utilise OMPL pour planifier une trajectoire
• Vérifie la validité du chemin (collisions, limites…)
• Envoie les commandes de mouvement au robot

Interfaces exposées (MoveIt! 2)

• Topics : pour écouter ou publier des infos (états, plans…)
• Services : pour des actions ponctuelles (planifier, arrêter, etc.)
• Actions : pour exécuter des trajectoires de manière asynchrone

Travaux pratiques

• TP 3 - Manipulation ROS 2
• Continuer la journée Navigation s'il y a eu des problèmes.

Ressources

• https://mecademic.com/fr/connaissance/tutoriels-academiques/quelles-sont-les-singularites-dans-un-bras-robotique-a-six-axes/