机器人系统——ROS2文档(进阶)—URDF-添加物理和碰撞属性

目标： 学习如何向 link 添加碰撞和惯性属性，以及如何向关节添加关节动力学属性。

教程级别： 中级
时间： 10 分钟

在本教程中，我们将了解如何向 URDF 模型添加一些基本的物理属性，以及如何指定其碰撞属性。

碰撞

到目前为止，我们只使用了一个子元素 visual 来指定我们的 link，（不出所料地）定义了机器人的外观。然而，为了使碰撞检测工作或模拟机器人，我们还需要定义一个 collision 元素。这是带有碰撞和物理属性的新 urdf。

以下是我们的新 base_link 的代码。

<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
        <material name="blue">
            <color rgba="0 0 .8 1"/>
        </material>
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
    </collision>
</link>

• collision 元素是 link 对象的直接子元素，与 visual 标签位于同一级别。
• collision 元素使用 geometry 标签以与 visual 元素相同的方式定义其形状。geometry 标签的格式在此处与 visual 完全相同。
• 您还可以以与 visual 相同的方式在 collision 标签内指定 origin 作为子元素。

在许多情况下，您希望碰撞几何体和原点与可视化几何体和原点完全相同。然而，有两种主要情况您不会这样做：

• 更快的处理 - 对两个网格进行碰撞检测比两个简单几何体的计算复杂得多。因此，您可能希望在 collision 元素中用更简单的几何体替换网格。
• 安全区域 - 您可能希望限制靠近敏感设备的移动。例如，如果我们不希望任何东西与 R2D2 的头部碰撞，我们可以将碰撞几何体定义为一个包裹其头部的圆柱体，以防止任何东西过于靠近其头部。

物理属性

为了使您的模型能够正确模拟，您需要定义机器人的几个物理属性，即像 Gazebo 这样的物理引擎需要的属性。

惯性

每个被模拟的 link 元素都需要一个 inertial 标签。这是一个简单的示例。

<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
        <material name="blue">
            <color rgba="0 0 .8 1"/>
        </material>
    </visual>
    <collision>
        <geometry>
            <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
        </geometry>
    </collision>
    <inertial>
        <mass value="10"/>
        <inertia ixx="1e-3" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1e-3" iyz="0.0" izz="1e-3"/>
    </inertial>
</link>

• 此元素也是 link 对象的子元素。
• 质量以千克为单位定义。
• 3x3 旋转惯性矩阵由 inertia 元素指定。由于它是对称的，因此可以仅由 6 个元素表示，如下所示。

• 此信息可以由 MeshLab 等建模程序提供给您。几何基本体（圆柱、盒子、球体）的惯性可以使用维基百科的“3D 惯性张量列表”来计算（并在上述示例中使用）。
• 惯性张量取决于物体的质量和质量分布。一个好的初步近似是假设质量在物体体积中均匀分布，并基于物体形状计算惯性张量，如上所述。
• 如果不确定要放什么，对于中等大小的 link（对应于边长 0.1 米、质量 0.6 千克的盒子），ixx/iyy/izz=1e-3 或更小的矩阵通常是一个合理的默认值。单位矩阵是一个特别糟糕的选择，因为它通常太高了（对应于边长 0.1 米、质量 600 千克的盒子！）。
• 您还可以指定 origin 标签来指定重心和惯性参考系（相对于 link 的参考系）。
• 当使用实时控制器时，为零（或几乎为零）的惯性元素可能导致机器人模型在没有警告的情况下崩溃，并且所有 link 将显示其原点与世界原点重合。

接触系数

您还可以定义 link 之间接触时的行为。这是通过 collision 标签的子元素 contact_coefficients 完成的。有三个属性需要指定：

• mu - 摩擦系数
• kp - 刚度系数
• kd - 阻尼系数

关节动力学

关节如何运动由关节的 dynamics 标签定义。这里有两个属性：

• friction - 物理静摩擦。对于 prismatic 关节，单位是牛顿。对于 revolute 关节，单位是牛顿米。
• damping - 物理阻尼值。对于 prismatic 关节，单位是牛顿秒每米。对于 revolute 关节，单位是牛顿米秒每弧度。

如果未指定，这些系数默认为零。

其他标签

在纯 URDF 领域（即排除 Gazebo 特定标签），还有两个剩余标签有助于定义关节：calibration 和 safety_controller。查看规范，它们不包含在本教程中。

后续步骤

通过使用 xacro 来减少代码量和需要做的繁琐数学运算。