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:
- 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
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
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
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
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。