基于ROS的机器人模型建立及3D仿真【物理/机械意义】

前言

在前面的博客中，我们已经学习过了如何对目标机器人进行数学意义上的模型建立，以便实现基础控制，而在实际生活中，由于机器人造价高昂，我们往往难以获得实际的目标机器人进行部署研究，这就需要我们对目标进行仿真，采用编程或可视化方法建立机器人3D模型，从而在ROS中使用RVIZ和GAZEBO组件进行相应的仿真分析。本篇文章首先分析了建立机器人3D模型的基本方法，包括使用URDF文件和Gazebo可视化建立等，在之后简单介绍了使用机器人3D模型进行ROS仿真的基本流程，主要涉及RVIZ和Gazebo两个强大的功能组件。

一、建立3D模型

1. URDF文件

• 概念：Unified Robot Description Format ，统一(标准化)机器人描述格式，主要使用XML格式描述机器人模型结构。

• 使用方法：通过XML格式描述机器人结构，包含底盘、摄像头、雷达等传感器，以及机械臂和不同关节的自由度，该文件通过C++内置的解释器可以转换成可视化机器人模型。

如下代码就是一个简单的机器人模型代码文件：

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
        visual>
    link>
robot>

• 仿真：使用URDF创建机器人模型，之后通过Gazebo搭建仿真环境，通过RVIZ进行3D可视化分析机器人模型，最后通过传感器获取环境数据最终实现控制仿真

2. 可视化建立3D模型并转换

• 建模流程：通过Gazebo或者一些其他的三维建模软件，例如Solidworks等，利用可视化的方法建立3D模型，最后通过转换导出成为URDF文件。Solidworks的界面如下图所示：

• Gazebo可视化建模：对于Gazebo而言，存在一种新的机器人模型文件，为SDF格式，改进了一些URDF的缺点，在后续的Gazebo教程中，会深入进行分析Gazebo的相关操作和知识。并且对于Gazebo来说，在仿真中更多的也是作为一种仿真环境的建立，如下图所示：

• Solidwork模型转换：

在工具栏中选择下拉选项中的Tool，选择Export as URDF可得：

通过选择坐标系和机器人关节等，最终可以导出完整对应的URDF文件;

二、ROS仿真流程

1. 机器人系统仿真

• 概念：通过计算机对实体机器人系统进行模拟，在 ROS 中，仿真实现涉及的内容主要包含:对机器人建模(URDF)、创建仿真环境(Gazebo)以及感知环境(Rviz)等系统性实现。

• 作用：

仿真的优点：

1. 成本低：实际机器人的成本常常高达几十W，风险大，难以进行实际研究；
2. 效率高：强大的仿真软件可以为我们提供大量真实的仿真环境，可以在短时间内提高测试效率和覆盖率
3. 安全性：由于在虚拟世界中进行的实验研究，可以避免耗损等安全问题。

仿真的缺点：

1. 环境失真：仿真软件的物理引擎无法真实代替现实世界；
2. 硬件失真：仿真器构建的是关节驱动器（电机&齿轮箱）、传感器与信号通信的绝对理想情况，目前不支持模拟实际硬件缺陷或者一些临界状态等情形

• 涉及组件：

URDF，统一机器人描述格式：通过XML格式的文件描述机器人结构。可转换成可视化机器人模型，具体在上述已有介绍

RVIZ，ROS的三维可视化工具：通过三维方式显示ROS消息数据，可以继承雷达、激光等传感器获取环境数据，并进行可视化表达

安装方法：

sudo apt install ros-[ROS_DISTRO]-rviz

使用方法：命令rviz或者rosrun rviz rviz

Gazebo，ROS的3D动态模拟器：用于显示机器人模型并创建仿真环境，提供高保真度的物理模拟及传感器模型，拥有非常良好的交互方式

安装方法：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" 
wget http://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -
sudo apt update
sudo apt install gazebo11 
sudo apt install libgazebo11-dev

使用方法：命令gazebo或者rosrun gazebo_ros gazebo

注意：在实际的仿真中，使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息，结合使用完成综合应用

2. URDF集成RVIZ流程

① 创建功能包，导入依赖项：

1. 自定义名称，创建性功能包（依赖项：urdf、xacro）
2. 功能包下新建目录：
   urdf：存储urdf文件；meshes：存储机器人模型渲染文件；config：存储配置文件；launch：存储启动文件

② 编写urdf文件：在urdf文件夹下新建子级文件夹urdf，添加.urdf文件，内容暂略；

③ 编写launch文件：启动RVIZ、导入urdf文件、显示机器人模型，代码如下：

<launch>

    
    <param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />

    
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

launch>

④ 修改RVIZ配置：默认情况没有机器人显示组件，手动添加方式如下：

⑤ 优化RVIZ实现自动保存：保证重复启动launch文件可以保存先前组件配置信息：

1. 将组件皮遏制保存到config目录下：

2. 启动配置添加参数：

<launch>
   <param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />
   <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find 报名)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
launch>

总结

• 声明：本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程，本篇博客主要针对于如何进行机器人3D建模及仿真完成了简单介绍，在之后的博客中会进一步介绍urdf文件的编写方法、rviz的可视化使用以及Gazebo的入门教程，敬请期待。