ROS-机械臂——从零构建机器人模型

Vodka~2024-07-16 18:32

URDF建模

URDF

URDF，全称为 Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是一种用于描述机器人几何结构和运动学属性的标准文件格式。URDF 文件通常用于机器人模拟、路径规划、控制算法开发和可视化等领域，特别是在 ROS（Robot Operating System）环境中非常常见。

URDF 建模主要关注以下方面：

Link（链接）：表示机器人中的刚体部分，如机器人的手臂、腿或任何静态部件。每个链接都有自己的惯性属性，如质量和转动惯量，以及几何形状，如碰撞体（colliders）和视觉表示（visuals）。

Joint（关节）：描述链接之间的连接方式，包括关节类型（如revolute旋转关节、prismatic直线关节等）、关节轴线、限制条件（如关节限位）和动力学属性（如摩擦力）。

Inertial（惯性）：描述链接的质量和转动惯量等物理属性。

Collision（碰撞）：用于物理模拟和碰撞检测的几何形状，通常较为简单。

Visual（视觉）：用于渲染和可视化的几何形状，可能比碰撞形状更复杂，以提供更真实的外观。

Material（材质）：定义颜色和纹理，用于视觉表示。

Actuator（执行器）：描述驱动关节的设备，如电机或液压缸的属性。

Transmissions（传动装置）：定义执行器如何影响关节的运动。

Gazebo Plugins（Gazebo 插件）：用于在 Gazebo 模拟器中扩展机器人的行为，如传感器模型。

URDF 建模过程涉及创建和配置上述组件，以准确地反映机器人的结构和动力学。URDF 文件通常是 XML 格式的，可以通过文本编辑器手动编写，也可以使用工具辅助生成。

URDF 与 DH 参数（Denavit-Hartenberg 参数）有联系，DH 参数用于描述关节间的相对位置和方向，而 URDF 可以基于这些参数来构建机器人的结构模型。然而，URDF 提供了更为丰富和详细的描述，包括几何形状、物理属性和传感器信息等。

机器人组成

内部关系

Joint

UDRF建模弊端

xacro模型文件

常量定义与使用

数学计算

宏定义、宏调用

文件包含

定义排版

launch文件

#三维模型导出URDF

网上找到UR3机械臂的资源，把 ".step" 后缀结尾的文件，在solidwork中打开如图

link和joint的配置

生成模型功能包

测试修改bug

结果展示

solid works

SolidWorks 是一款广泛使用的三维 CAD 软件，主要用于机械设计。要将 SolidWorks 的模型转换为 URDF（Unified Robot Description Format）格式，用于机器人仿真和控制，你需要一个插件或者工具来辅助这个过程。虽然 SolidWorks 本身并不直接支持 URDF 格式，但有一些第三方插件可以实现这一功能，比如 sw2urdf。

选择哪一款 SolidWorks 版本对于 URDF 转换而言，主要取决于以下几点：

插件兼容性：确保你所选择的 SolidWorks 版本与你打算使用的 URDF 插件兼容。不同的插件可能支持不同版本的 SolidWorks。

功能需求：如果你的模型非常复杂，可能需要使用更高版本的 SolidWorks，因为较新版本往往包含更多功能和改进的性能，这可以帮助你更高效地创建和管理复杂的装配体。

硬件要求：SolidWorks 的高版本通常需要更强的硬件配置。如果您的计算机硬件不够强大，可能会影响软件运行的流畅性和稳定性。

许可成本：SolidWorks 不同版本的价格不同，且功能也有差异。你需要评估成本效益，选择最适合你预算和需求的版本。

技术支持：较新的 SolidWorks 版本通常会获得更好的技术支持和更新。

用户熟悉度：如果你已经熟悉某个版本的 SolidWorks，除非有特别的功能需求，否则继续使用熟悉的版本可能会更加高效。

对于 URDF 导出而言，关键在于找到一个稳定且功能全面的插件，它能够准确地将你的 SolidWorks 模型转换为 URDF 文件。sw2urdf 插件能够处理 SolidWorks 的零件和装配体，自动识别关节类型、变换和轴，这对于 URDF 建模是非常重要的。

目录架构

相关文件

CMakeLists.txt

c 复制代码 
cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)

project(UR3)

find_package(catkin REQUIRED)

catkin_package()

find_package(roslaunch)

foreach(dir config launch meshes urdf)
	install(DIRECTORY ${dir}/
		DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}/${dir})
endforeach(dir)

package.xml

xml 复制代码 
<package format="2">
  <name>UR3</name>
  <version>1.0.0</version>
  <description>
    <p>URDF Description package for UR3</p>
    <p>This package contains configuration data, 3D models and launch files
for UR3 robot</p>
  </description>
  <author>TODO</author>
  <maintainer email="TODO@email.com" />
  <license>BSD</license>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <depend>roslaunch</depend>
  <depend>robot_state_publisher</depend>
  <depend>rviz</depend>
  <depend>joint_state_publisher_gui</depend>
  <depend>gazebo</depend>
  <export>
    <architecture_independent />
  </export>
</package>

display.launch

xml 复制代码 
<launch>
  <arg
    name="model" />
  <param
    name="robot_description"
    textfile="$(find UR3)/urdf/UR3.urdf" />
  
  <node
    name="joint_state_publisher_gui"
    pkg="joint_state_publisher_gui"
    type="joint_state_publisher_gui" />
  
  <node
    name="robot_state_publisher"
    pkg="robot_state_publisher"
    type="robot_state_publisher" />
  
  <node
    name="rviz"
    pkg="rviz"
    type="rviz"
    args="-d $(find UR3)/urdf.rviz" />
</launch>

gazebo.launch

xml 复制代码 
<launch>
  <include
    file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
  <node
    name="tf_footprint_base"
    pkg="tf"
    type="static_transform_publisher"
    args="0 0 0 0 0 0 base_link base_footprint 40" />
  <node
    name="spawn_model"
    pkg="gazebo_ros"
    type="spawn_model"
    args="-file $(find UR3)/urdf/UR3.urdf -urdf -model UR3"
    output="screen" />
  <node
    name="fake_joint_calibration"
    pkg="rostopic"
    type="rostopic"
    args="pub /calibrated std_msgs/Bool true" />
</launch>

ur3.urdf

xml 复制代码 
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!-- This URDF was automatically created by SolidWorks to URDF Exporter! Originally created by Stephen Brawner (brawner@gmail.com) 
     Commit Version: 1.6.0-4-g7f85cfe  Build Version: 1.6.7995.38578
     For more information, please see http://wiki.ros.org/sw_urdf_exporter -->
<robot
  name="UR3">
  <link
    name="base_link">
    <inertial>
      <origin
        xyz="2.105E-05 0.098059 -0.0036545"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="1.371" />
      <inertia
        ixx="0.0018288"
        ixy="4.4582E-07"
        ixz="-2.0556E-07"
        iyy="0.0019082"
        iyz="0.00013405"
        izz="0.0017646" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/base_link.STL" />    
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.89804 0.91765 0.92941 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/base_link.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <link
    name="link1">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-6.5885E-06 0.055927 0.0072937"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.75521" />
      <inertia
        ixx="0.0010675"
        ixy="-9.4953E-08"
        ixz="1.0255E-07"
        iyy="0.00090525"
        iyz="-0.00013058"
        izz="0.00099003" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link1.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.79216 0.81961 0.93333 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link1.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint1"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0 0.0844"
      rpy="1.5708 0 -3.1416" />
    <parent
      link="base_link" />
    <child
      link="link1" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link2">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-2.6778E-06 0.060634 0.09327"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="1.6559" />
      <inertia
        ixx="0.0025822"
        ixy="-8.909E-08"
        ixz="1.019E-07"
        iyy="0.002419"
        iyz="-9.301E-05"
        izz="0.0016021" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link2.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="0.79216 0.81961 0.93333 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link2.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint2"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0.0675 0.05235"
      rpy="1.5708 0 -3.1416" />
    <parent
      link="link1" />
    <child
      link="link2" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link3">
    <inertial>
      <origin
        xyz="-0.0050453 -0.11121 3.4154E-06"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.96204" />
      <inertia
        ixx="0.0010146"
        ixy="4.5981E-05"
        ixz="6.2628E-08"
        iyy="0.00054242"
        iyz="-4.3697E-08"
        izz="0.0010724" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link3.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link3.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint3"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 -0.02535 0.24365"
      rpy="-1.5708 0 -1.5708" />
    <parent
      link="link2" />
    <child
      link="link3" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link4">
    <inertial>
      <origin
        xyz="0.0059208 -0.0007977 2.6694E-07"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.32519" />
      <inertia
        ixx="0.00019459"
        ixy="1.8337E-05"
        ixz="1.3898E-10"
        iyy="0.00019909"
        iyz="1.2329E-09"
        izz="0.00022621" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link4.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link4.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint4"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="-0.0834 -0.213 0"
      rpy="-3.1416 0 0" />
    <parent
      link="link3" />
    <child
      link="link4" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link5">
    <inertial>
      <origin
        xyz="0.0059208 0.00079771 -2.3761E-07"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.32519" />
      <inertia
        ixx="0.00019459"
        ixy="-1.8338E-05"
        ixz="-2.0382E-10"
        iyy="0.00019909"
        iyz="1.211E-09"
        izz="0.00022621" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link5.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link5.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint5"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 0.0834 0"
      rpy="0 0 -1.5708" />
    <parent
      link="link4" />
    <child
      link="link5" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
  <link
    name="link6">
    <inertial>
      <origin
        xyz="4.7334E-10 0.00010334 -0.021073"
        rpy="0 0 0" />
      <mass
        value="0.11536" />
      <inertia
        ixx="4.2469E-05"
        ixy="1.5688E-12"
        ixz="1.7329E-12"
        iyy="4.2681E-05"
        iyz="1.0324E-07"
        izz="5.9067E-05" />
    </inertial>
    <visual>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link6.STL" />
      </geometry>
      <material
        name="">
        <color
          rgba="1 1 1 1" />
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <origin
        xyz="0 0 0"
        rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <mesh
          filename="package://UR3/meshes/link6.STL" />
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint
    name="joint6"
    type="revolute">
    <origin
      xyz="0 -0.0409 0"
      rpy="1.5708 0.2207 3.1416" />
    <parent
      link="link5" />
    <child
      link="link6" />
    <axis
      xyz="1 0 0" />
    <limit
      lower="-3.14"
      upper="3.14"
      effort="100"
      velocity="1" />
  </joint>
</robot>
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