从头开始构建视觉机器人模型

目标: 学习如何构建可在 Rviz 中查看的机器人可视化模型

教程级别: 中级

时间: 20 分钟

Note

This tutorial assumes you know how to write well-formatted XML code

在本教程中,我们将构建一个与 R2D2 外观相似的机器人的视觉模型。 在后面的教程中,您将学习如何:doc:阐明模型、:doc:添加一些物理属性,但现在,我们将专注于获得正确的视觉几何形状。

在继续之前,请确保您已安装`joint_state_publisher <https://index.ros.org/p/joint_state_publisher>`_ 包。 如果您安装了 urdf_tutorial 二进制文件,那么应该已经是这种情况了。 如果没有,请更新您的安装以包含该软件包(使用 rosdep 进行检查)。

本教程中提到的所有机器人模型(和源文件)都可以在 urdf_tutorial 包中找到。

一种形状

首先,我们只探索一种简单的形状。 这是您可以制作的最简单的 urdf。 [Source: 01-myfirst.urdf]

<?xml version="1.0"?>
<robot name="myfirst">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</robot>

将 XML 翻译成英文,这是一个名为“myfirst”的机器人,它只包含一个链接(又称部件),其可视组件只是一个长 0.6 米、半径 0.2 米的圆柱体。 对于一个简单的“hello world”类型示例来说,这似乎有很多封闭标签,但相信我,它会变得更加复杂。

要检查模型,请启动“display.launch.py​​”文件:

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf

这会做三件事:

  • 加载指定的模型并将其保存为 robot_state_publisher 节点的参数。

  • 运行节点以发布 sensor_msgs/msg/JointState 并进行转换(稍后会详细介绍)

  • 使用配置文件启动 Rviz

启动“display.launch.py​​”后,RViz 应该会显示以下内容:

my first image
注意事项:
  • 固定框架是网格中心所在的变换框架。

在这里,它是由我们的一个链接 base_link 定义的框架。 * 视觉元素(圆柱体)的原点默认位于其几何体的中心。 因此,圆柱体的一半位于网格下方。

多种形状

现在让我们看看如何添加多种形状/链接。 如果我们只是向 urdf 添加更多链接元素,解析器将不知道将它们放在哪里。 所以,我们必须添加关节。 关节元素可以指柔性关节和非柔性关节。 我们将从非柔性或固定关节开始。 [Source: 02-multipleshapes.urdf]

<?xml version="1.0"?>
<robot name="multipleshapes">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
  </joint>

</robot>
  • 注意我们如何定义一个 0.6m x 0.1m x 0.2m 的盒子

  • 关节是根据父关节和子关节来定义的。 URDF 最终是一个具有一个根链接的树结构。 这意味着腿的位置取决于 base_link 的位置。

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/02-multipleshapes.urdf
Multiple Shapes

这两个形状相互重叠,因为它们共享同一个原点。 如果我们想让它们不重叠,我们必须定义更多的原点。

原点

R2D2 的腿附着在他躯干的上半部分,在侧面。 所以我们在这里指定关节的原点。 此外,它不附着在腿的中间,而是附着在上半部分,所以我们也必须偏移腿的原点。 我们还旋转腿,使其直立。 [Source: 03-origins.urdf]

<?xml version="1.0"?>
<robot name="origins">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

</robot>
  • 让我们从检查关节的原点开始。 它是根据父级的参考框架定义的。 因此,我们在 y 方向(在我们的左侧,但相对于轴在右侧)为 -0.22 米,在 z 方向(向上)为 0.25 米。 这意味着子链接的原点将位于上方和右侧,而不管子链接的视觉原点标签如何。 由于我们没有指定 rpy(滚动俯仰偏航)属性,因此子框架默认具有与父框架相同的方向。

  • 现在,查看腿部的视觉原点,它具有 xyz 和 rpy 偏移。 这定义了视觉元素的中心相对于其原点的位置。 由于我们希望腿部附着在顶部,因此我们通过将 z 偏移设置为 -0.3 米来将原点向下偏移。 由于我们希望腿部的长部分与 z 轴平行,因此我们将视觉部分绕 Y 轴旋转 PI/2。

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/03-origins.urdf
Origins Screenshot
  • 启动文件运行包,这些包将根据您的 URDF 为模型中的每个链接创建 TF 框架。

Rviz 使用此信息来确定在何处显示每个形状。 * 如果给定的 URDF 链接不存在 TF 框架,则它将以白色放置在原点(参考 相关问题)。

物质女孩

“好吧,”我听到你说。 “这很可爱,但不是每个人都拥有 B21。 我的机器人和 R2D2 不是红色的!” 这是一个很好的观点。 让我们来看看材料标签。 [Source: 04-materials.urdf]

<?xml version="1.0"?>
<robot name="materials">

  <material name="blue">
    <color rgba="0 0 0.8 1"/>
  </material>

  <material name="white">
    <color rgba="1 1 1 1"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_leg"/>
    <origin xyz="0 0.22 0.25"/>
  </joint>

</robot>
  • 主体现在是蓝色的。

我们定义了一种名为“蓝色”的新材质,其中红色、绿色、蓝色和 alpha 通道分别定义为 0,0,0.8 和 1。 所有值都可以在 [0,1] 范围内。 然后,base_link 的视觉元素引用此材质。 白色材质的定义类似。 *您还可以在视觉元素中定义材质标签,甚至可以在其他链接中引用它。 不过,如果您重新定义它,没有人会抱怨。 *您还可以使用纹理来指定用于为对象着色的图像文件

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/04-materials.urdf
Materials Screenshot

完成模型

现在我们用更多的形状来完成模型:脚、轮子和头。 最值得注意的是,我们添加了一个球体和一些网格。 我们还将添加一些稍后会用到的其他部件。 [Source: 05-visual.urdf]

<?xml version="1.0"?>
<robot name="visual">

  <material name="blue">
    <color rgba="0 0 0.8 1"/>
  </material>
  <material name="black">
    <color rgba="0 0 0 1"/>
  </material>
  <material name="white">
    <color rgba="1 1 1 1"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <link name="right_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_right_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_leg"/>
    <origin xyz="0 -0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="right_base">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.1 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="right_base_joint" type="fixed">
    <parent link="right_leg"/>
    <child link="right_base"/>
    <origin xyz="0 0 -0.6"/>
  </joint>

  <link name="right_front_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_front_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="right_base"/>
    <child link="right_front_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="right_back_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_back_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="right_base"/>
    <child link="right_back_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="left_leg">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0 0 -0.3"/>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_to_left_leg" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_leg"/>
    <origin xyz="0 0.22 0.25"/>
  </joint>

  <link name="left_base">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.1 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_base_joint" type="fixed">
    <parent link="left_leg"/>
    <child link="left_base"/>
    <origin xyz="0 0 -0.6"/>
  </joint>

  <link name="left_front_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_front_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="left_base"/>
    <child link="left_front_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <link name="left_back_wheel">
    <visual>
      <origin rpy="1.57075 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.1" radius="0.035"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="left_back_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="left_base"/>
    <child link="left_back_wheel"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.133333333333 0 -0.085"/>
  </joint>

  <joint name="gripper_extension" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="gripper_pole"/>
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.19 0 0.2"/>
  </joint>

  <link name="gripper_pole">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.2" radius="0.01"/>
      </geometry>
      <origin rpy="0 1.57075 0 " xyz="0.1 0 0"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_gripper_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="left_gripper"/>
  </joint>

  <link name="left_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_tip_joint" type="fixed">
    <parent link="left_gripper"/>
    <child link="left_tip"/>
  </joint>

  <link name="left_tip">
    <visual>
      <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <joint name="right_gripper_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.2 -0.01 0"/>
    <parent link="gripper_pole"/>
    <child link="right_gripper"/>
  </joint>

  <link name="right_gripper">
    <visual>
      <origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <joint name="right_tip_joint" type="fixed">
    <parent link="right_gripper"/>
    <child link="right_tip"/>
  </joint>

  <link name="right_tip">
    <visual>
      <origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
      <geometry>
        <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="head">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="white"/>
    </visual>
  </link>
  <joint name="head_swivel" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="head"/>
    <origin xyz="0 0 0.3"/>
  </joint>

  <link name="box">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.08 0.08 0.08"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="tobox" type="fixed">
    <parent link="head"/>
    <child link="box"/>
    <origin xyz="0.1814 0 0.1414"/>
  </joint>
</robot>
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/05-visual.urdf
Visual Screenshot

如何添加球体应该相当容易理解:

<link name="head">
  <visual>
    <geometry>
      <sphere radius="0.2"/>
    </geometry>
    <material name="white"/>
  </visual>
</link>

这里的网格是从 PR2 借用的。 它们是单独的文件,您必须为其指定路径。 您应该使用“package://NAME_OF_PACKAGE/path”表示法。 本教程的网格位于“urdf_tutorial”包中的名为 meshes 的文件夹中。

<link name="left_gripper">
  <visual>
    <origin rpy="0.0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    <geometry>
      <mesh filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger.dae"/>
    </geometry>
  </visual>
</link>
  • 网格可以以多种不同格式导入。

STL 相当常见,但引擎还支持 DAE,它可以拥有自己的颜色数据,这意味着您不必指定颜色/材质。 通常这些位于单独的文件中。 这些网格还引用了 meshes 文件夹中的 .tif 文件。 * 网格也可以使用相对缩放参数或边界框大小来调整大小。 * 我们也可以引用完全不同的包中的网格。

就是这样。 一个类似 R2D2 的 URDF 模型。 现在您可以继续下一步,让它移动