[人工智能]Franka Emika Panda 机械臂环境配置

实验室买来一台 franka 机械臂，近日都在忙于机械臂的上位机环境配置，参考了官方的配置文档以及网上一些大佬的博客，现做一些总结。

Franka 官方配置文档：https://frankaemika.github.io/docs/installation_linux.html

FrankaEmika_Panda 环境配置：https://www.jianshu.com/p/664b4cf76606

Franka 官方文档给出了 Linux 和 Windows 的配置方案，但在实验室里我们常用的实验环境是 Linux 系统，所以在 Windows 系统的配置方案就没有亲自去实践，此处不再介绍。

1. 硬件条件

• Ubuntu 16.04 系统
• Ros kinetic
• Moveit

2. 安装Ros功能包

两种方式安装：二进制包安装，源码安装

2.1 二进制包安装

sudo apt-get install ros-kinetic-libfranka ros-kinetic-franka-ros

终端中一道命令即可解决，方便快捷，但是这些功能包全部安装到根目录下：/opt/ros/kinetic/share
该目录下存有很多 Ros 相关的文件，查看、使用起来很不方便，日后使用容易造成混乱。
本人也是通过源码安装方式失败才尝试此种方法，但安装成功后，有些文件找不到，最后还是重新肝源码安装。

2.2 源码安装

开始之前，若尝试过上边的二进制包安装方式，一定要执行一下命令：

sudo apt remove "*franka*"   //删除跟franka 相关的文件

防止后面的编译冲突

2.2.1 安装编译 libfranka

建议新建一个工作空间，放置跟 franka 相关的文件

mkdir -p ~/catkin_franka/src
cd ~/catkin_franka/src
catkin_init_workspace
cd ~/catkin_franka
source devel/setup.bash   //建议添加到 ./bsahrc 文件中

# 1.安装依赖
sudo apt install build-essential cmake git libpoco-dev libeigen3-dev

# 2.选择位置下载保存 libfranka
cd ~/catkin_franka
git clone --recursive https://github.com/frankaemika/libfranka  //默认下载最新版本

# 3.编译安装
cd libfranka
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
cmake --build .

• 可能出现连不上https://github.com的情况，可在网址前面加上https://ghproxy.com/。
• 下载也可能下到的是不完整的版本，common文件夹是空的，需要手动下载common文件夹，替换原来的空common文件夹。
• 执行这一步cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..时，也可能出现timeout的情况，可在libfranka/cmake/GoogleTest-CMakeLists.txt.in文件中加入如下内容
  

注意：一定要编成release版，否则，后期可能存在通讯问题，libfanka因为通讯频率不够，接不上 FCI ，出现机械臂动不了的情况

至此，libfranka已经编译完成。

2.2.2 安装编译 franka_ros

# 1.选择位置下载保存 franka_ros
cd ~/catkin_franka/src
git clone --recursive https://github.com/frankaemika/franka_ros  //默认下载最新版本

# 2.下载安装依赖
rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro kinetic -y --skip-keys libfranka

# 3.编译安装
catkin_make -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DFranka_DIR:PATH=/path/to/libfranka/build
source devel/setup.sh

• 在下载安装依赖那一步可能会出现 rosdep失败的情况 ，这可能是我在安装 ROS 时忽略了rosdep update失败的后果，隔壁的师兄刚装的新系统，这一步就直接执行成功了。出现这种失败的情况，终端中会报出相应的错误原因，提示缺少什么，记得其中有一个panda_moveit_config，还有其他几个包，可直接手动安装 sudo apt-get install ros-kinetic-panda-moveit-config
• 在编译安装之前，提前看一下下载下来的franka_ros包里是不是还有一个franka_ros包，这个包与上一层的包名重复，要把里层的franka_ros包移除，才能编译成功
• PATH=/path/to/libfranka/build这一命令不要傻乎乎的直接执行，需要换成自己的libfranka/build的路径，如果按照我的安装思路走下来的，此处换成PATH=~/catkin_franka/libfranka/build即可
• 我在编译安装的时候还出现了 gazebo 版本过低的错误，为省事，直接将 franka_gazebo包也移除了，后期若在 gazebo 中建模，还需升级一下
• source devel/setup.sh若是在之前建立工作空间时，已写入 ./bsahrc 文件中，可忽略此步
• 以上方法还是不能通过的话，还有一个比较麻烦的方法，挨个编译功能包，缺少依赖安装相应依赖
  – catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="包名"

3. 安装实时内核

与一般机器人不同的是，Franka 机械臂需要实时内核，使用 libfranka 控制机械臂

3.1 首先，安装必要的依赖

sudo apt-get install build-essential bc curl ca-certificates fakeroot gnupg2 libssl-dev lsb-release libelf-dev bison flex

3.2 选择实时内核的版本

使用uname -r可查看当前电脑使用的内核版本，一般不是实时内核，我们需要自行安装编译实时内核。

• Linux实时内核网址：https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/

推荐使用与自己电脑当前内核最接近的内核版本，本人直接下载的是Franka 官方文档提供的 4.14.12-rt10
从网上了解，选择实时内核版本时，不必选择与自带内核号一致的版本，也可以安装对应的generic内核。有时候甚至可能出现在某一版本内核下编译出错，换一个内核却可以的情况，但自己也是道听途书，没有亲身经历，不怕麻烦的可以试试。

# 1.新建一个文件夹用于存储内核的相关文件
mkdir ~/kernel && cd ~/kernel

# 2.下载kernel and patch
curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.12.tar.xz
curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.14.12.tar.sign
curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/older/patch-4.14.12-rt10.patch.xz
curl -SLO https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/4.14/older/patch-4.14.12-rt10.patch.sign

# 3.解压
xz -d linux-4.14.12.tar.xz
xz -d patch-4.14.12-rt10.patch.xz

• 下载 kernel 时，速度很慢，可以换网络试试，手机热点速度稍微快一点

走到这一步，Franka 官方文档中提到一个验证下载文件的完整性，尝试了几次，连不上 hkp://keys.gnupg.net 直接放弃验证，大胆相信下载文件是完整的。验证步骤在Franka 官方文档可见，此处不再赘述。

3.3 编译内核

# 1.提取源代码并应用补丁
tar xf linux-4.14.12.tar
cd linux-4.14.12
patch -p1 < ../patch-4.14.12-rt10.patch

# 2.配置内核
make oldconfig

make oldconfig 会打开一个基于文本的配置菜单，当被问及抢占模型（Preemption Model）时，选择完全抢占内核（Fully Preemptible Kernel），保持其他设置为默认，按回车即可，待设置完成。

Preemption Model
    1. No Forced Preemption (Server) (PREEMPT_NONE)
    2. Voluntary Kernel Preemption (Desktop) (PREEMPT_VOLUNTARY)
    3. Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop) (PREEMPT__LL) (NEW)
    4. Preemptible Kernel (Basic RT) (PREEMPT_RTB) (NEW)
    > 5. Fully Preemptible Kernel (RT) (PREEMPT_RT_FULL) (NEW)

此时已经准备好编译内核，执行以下命令，根据自己电脑的 CPU 核数，调整 -j 后面的数字，保证每个 CPU 核都用上，节省时间。

fakeroot make -j4 deb-pkg

此时可以休息一会了，因为编译内核的过程很漫长，可以出去转转或者干点其他事。
待编译完成，在 kernel 文件夹里会多出几个.deb包，就可以安装了。

sudo dpkg -i ../linux-headers-4.14.12-rt10_*.deb ../linux-image-4.14.12-rt10_*.deb

安装完成后，重启一下，在 grub 引导界面的 Ubuntu高级选项 里就有自己安装的实时内核了。

尝试直接进普通模式，如果可以正常进入则说明安装的挺好。如果进去黑屏了，也不用慌，还可以试试从 recovery 模式进去。遇到红色界面，按 enter ，看看能不能行。若是还不行，只能卸载内核，重新装了……

3.4 验证内核

进入安装的实时内核后，使用 uname -r 检查一下内核版本是否正确
若安装正确，在 /sys/kernel/realtime 文件里有一个 1 。

3.5 添加实时组许可

sudo addgroup realtime
sudo usermod -a -G realtime $(whoami)

$(whoami) 可以改成自己的用户名，不改也可以，不影响

修改 /etc/security/limits.conf 将以下限制添加到实时组，

sudo gedit /etc/security/limits.conf

# 限制内容
@realtime soft rtprio 99
@realtime soft priority 99
@realtime soft memlock 102400
@realtime hard rtprio 99
@realtime hard priority 99
@realtime hard memlock 102400

重启一下，配置过程就结束了。

4. 测试环境

配置得这么辛苦，还不是为了能让机械臂动起来，赶紧来测试一下吧！

在 libfranka/build/examples 路径下打开终端
运行

./communication_test 172.16.0.2

根据终端提示，按一下 enter
机械臂动了一下，跳出一串通讯信息，最后提示10000次姿态，丢了xx次，证明 libfranka 和 FCI 连上了
该路径下还有其他 build 好的例子，都可以尝试一下，指令结尾记得添加机械臂的 ip

试一试 franka_ros

roslaunch franka_example_controllers move_to_start.launch robot_ip:=172.16.0.2

会出现 RVIZ 界面，若报错，根据终端信息进行相应改错。
打开 RVIZ 界面，拖动 InteractiveMarkers ，机械臂立刻响应做出动作，终端不报错，环境搭建就没有太大问题。

终于配好环境，写好总结，长舒一口气，就看以后发挥了。