从零开始一个机械臂

从零开始一个机械臂

学习路线规划

  • linux基础、ROS基础、ROS通信

  • 机械臂仿真：

    • urdf文件
    • gazebo仿真的搭建
    • xacro插件

  • ros_control基础控制

  • 机械臂运动学解算

  • moveit框架

  • 上下层整合通信

机械臂仿真

urdf、xacro、gazebo是什么

  • Urdf：

    • 本质上是一个 XML 格式文件，用来描述描述机器人模型的结构信息
    • 包括机械臂的连杆（link）、关节（joint）、轮子、各种机器人结构

  • Xacro：

    • 他是一个插件，能自动生成对应的urdf文件
    • 通过定义一些宏、变量来减少编写urdf源文件的工作内容

  • gazebo：

    • 他是一个URDF模型运动的仿真平台
    • 能根据URDF文件的信息记载机器人模型、计算物理碰撞、运行传感器、操控机器人运动

注意:

URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo。它只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，才可以使用。

URDF详细解读

robot

urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称

  • name: 指定机器人模型的名称

  • 其他标签都是子级标签

urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头…每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性。

  • 属性：name
  • 子标签：

    • visual用于描述外观，可选的标签如下

      • 标签1: box(盒状)
        • 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)
      • 标签2: cylinder(圆柱)
        • 属性:radius=半径 length=高度
      • 标签3: sphere(球体)
        • 属性:radius=半径
      • 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
        • 属性: filename=资源路径(格式:package:////文件)

    • origin 设置偏移量与倾斜弧度

      • 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移
      • 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)

    • metrial 设置材料属性(颜色)

      • 属性: name
      • 标签: color
        • 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])

    • collision —> 连杆的碰撞属性

    • Inertial —> 连杆的惯性矩阵

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
<link name="base_link">
    <visual>
        <!-- 形状 -->
        <geometry>
            <!-- 长方体的长宽高 -->
            <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
            <!-- 圆柱，半径和长度 -->
            <!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->
            <!-- 球体，半径-->
            <!-- <sphere radius="0.3" /> -->

        </geometry>
        <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) -->
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
        <material name="black">
            <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
        </material>
    </visual>
</link>

joint

urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限。

1.属性

  • name —> 为关节命名
  • type —> 关节运动形式
    • continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
    • revolute: 旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制
    • prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
    • planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
    • floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
    • fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节

2.子标签

  • parent(必需的)

    parent link的名字是一个强制的属性：

    • link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

  • child(必需的)

    child link的名字是一个强制的属性：

    • link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

  • origin

    • 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。

  • axis

    • 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
<!-- 
    需求: 创建机器人模型，底盘为长方体，
         在长方体的前面添加一摄像头，
         摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转

 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 摄像头 -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>