《动手学ROS2》9.2为机器人URDF模型注入物理属性并在Gazebo中显示

《动手学ROS2》9.2为机器人URDF模型注入物理属性并在Gazebo中显示

本系列教程作者：小鱼
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9.2为机器人URDF模型注入物理属性并在Gazebo中显示

上节我们知道，机器人仿真就是用软件来模拟硬件的特性，那么我们必须要告诉仿真平台机器人各个关节的物理属性，比如：

• 有多重，
• 有多大的惯性
• 重心在哪
• 碰撞边界在哪
• 关节的上下界限
• 其他的一些必要信息等等

所以这节课小鱼就带你将物理信息写入到urdf中，让机器人在gazebo中显示出来。

1.需要哪些物理信息？

一般来说有碰撞和内参两个就够了，但是因为小鱼之前的偷懒，还要加一个摩擦力配置。

碰撞描述是物体的用于碰撞检测的包围形状。内参用于描述物体的质量，惯性矩阵。link的摩擦力。

1.1 碰撞检测

在机器人仿真中，我们要对物体之前是否接触，是否发生碰撞做检测，常用的检测方法比如包围盒，判断两个物体的包围盒是否相交来快速判断物体是否发生碰撞。

在URDF中，我们可以可以在link标签下添加collison子标签来对物体的形状进行描述。

collision可以包含的子标签如下：

• origin，表示碰撞体的中心位姿
• geometry，用于表示用于碰撞检测的几何形状
• material，可选的，描述碰撞几何体的材料(这个设置可以在gazebo仿真时通过view选项看到碰撞包围体的形状)

一个完整的collision标签实例如下：

1.2 旋转惯量

旋转惯量矩阵是用于描述物体的惯性的，在做动力学仿真的时候，这些参数尤为重要。

在URDF中我们可以通过在link下添加inertial子标签，为link添加惯性参数的描述。

intertial标签包含的子标签如下：

• mass，描述link的质量
• inertia，描述link的旋转惯量（该标签有六个属性值ixx\ixy\ixz\iyy\iyz\izz）

一个完整的inertial标签示例如下：

关于intertial的属性设置，不是随意设置的，常见的几何体我们可以通过公式进行计算。计算方法可以看小鱼的这篇文章-URDF仿真惯性参数不知道怎么配？快收藏，常见几何物体URDF分享。

比如我们上一章节的fishbot的轮子和车体，都是实心圆柱，可以采用下面的公式进行计算：

注意：这个矩阵是一个对称矩阵，所以只需要通过其上三角即可描述完整描述这个矩阵，所以在URDF中只需要填写六个数字即可。 实心圆柱体的惯性矩阵:半径为r，高度为h，质量为m 的实心圆柱体 形状： 矩阵：

1.3 摩擦力和刚性系数

在Fishbot的URDF中，前面的支撑轮主要起支撑作用，因为我们将其使用fixed标签固定到了base_link上，所以它无法转动。

哪该怎么办呢？小鱼教你一个取巧的办法，我们可以要把这个轮子的摩擦力设置为0，让它直接在地上滑动即可，

如何设置呢？6行代码放到URDF中：

其中mu1,mu2代表摩擦力，kp,kd代表刚性系数。

2.为FishBot添加物理惯性

利用上面的方法公式，为我们的fishbot哥哥link添加好物理属性，完成后的base_link如下：

完全添加好的机器人URDF模型小鱼已经放到了这里：fishbot_gazebo.urdf

可以将小鱼配置好的模型下载到src/c/urdf文件夹下，等下我们要用gazebo将该模型显示出来。

3.使用gazebo加载URDF

3.1 Gazebo-ROS2插件介绍

在第六章中小鱼曾介绍过，gazebo是独立于ROS/ROS2之外的仿真软件，我们可以独立使用Gazebo。如果我们想要通过ROS2和Gazebo进行交互，需要通过gazebo_ros插件来进行。

接下来小鱼先带你通过命令行的形式来启动gazebo-ros2插件以及使用插件提供的服务来将fishbot的urdf模型在gazebo中显示出来。

3.1.1 安装Gazebo插件

sudo apt install ros-foxy-gazebo-ros

3.1.2 启动Gazebo并启动插件

安装完成后，我们就可以通过下面的命令行来启动gazebo并加载ros2插件。

gazebo --verbose -s libgazebo_ros_factory.so

看到下面的日志和Gazebo界面代表启动成功

Gazebo multi-robot simulator, version 11.9.0
Copyright (C) 2012 Open Source Robotics Foundation.
Released under the Apache 2 License.
http://gazebosim.org

[Msg] Waiting for master.
Gazebo multi-robot simulator, version 11.9.0
Copyright (C) 2012 Open Source Robotics Foundation.
Released under the Apache 2 License.
http://gazebosim.org

[Msg] Waiting for master.
[Msg] Connected to gazebo master @ http://127.0.0.1:11345
[Msg] Publicized address: 192.168.2.103
[Msg] Loading world file [/usr/share/gazebo-11/worlds/empty.world]
[INFO] [1649151283.208884022] [gazebo_ros_node]: ROS was initialized without arguments.
[Msg] Connected to gazebo master @ http://127.0.0.1:11345
[Msg] Publicized address: 192.168.2.103

3.2 插件节点及其服务介绍

使用3.1中的指令启动Gazebo并加载gazebo_ros插件，我们使用下面的指令来看插件的节点，以及改节点为我们提供的服务有哪些？

节点列表

ros2 node list

正确返回

/gazebo

然后我们看看这个节点对外提供的服务有哪些？

ros2 service list

/delete_entity
/get_model_list
/spawn_entity
/gazebo/describe_parameters
/gazebo/get_parameter_types
/gazebo/get_parameters
/gazebo/list_parameters
/gazebo/set_parameters
/gazebo/set_parameters_atomically

除去和参数相关的几个服务，我们可以看到另外三个特殊服务：

• /spawn_entity，用于加载模型到gazebo中
• /get_model_list，用于获取模型列表
• /delete_entity，用于删除gazbeo中已经加载的模型

我们想要让gazebo显示出我们配置好的fishbot使用/spawn_entity来加载即可。

接着我们可以来请求服务来加载模型，小鱼先带你看一下服务的接口类型。

ros2 service type /spawn_entity

返回

gazebo_msgs/srv/SpawnEntity

指令

ros2 interface show gazebo_msgs/srv/SpawnEntity

返回

string name                       # Name of the entity to be spawned (optional).
string xml                        # Entity XML description as a string, either URDF or SDF.
string robot_namespace            # Spawn robot and all ROS interfaces under this namespace
geometry_msgs/Pose initial_pose   # Initial entity pose.
string reference_frame            # initial_pose is defined relative to the frame of this entity.
                                  # If left empty or "world" or "map", then gazebo world frame is
                                  # used.
                                  # If non-existent entity is specified, an error is returned
                                  # and the entity is not spawned.
---
bool success                      # Return true if spawned successfully.
string status_message             # Comments if available.

可以看到服务的请求内容包括：

• string name ，需要加载的实体的名称 (可选的)。
• string xml ，实体的XML描述字符串, URDF或者SDF。
• string robot_namespace ，产生的机器人和所有的ROS接口的命名空间，多机器人仿真的时候很有用。
• geometry_msgs/Pose initial_pose ，机器人的初始化位置
• string reference_frame ，初始姿态是相对于该实体的frame定义的。如果保持"empty"或"world"或“map”，则使用 gazebo的world作为frame。如果指定了不存在的实体，则会返回错误

3.3 调用服务加载fishbot

看到这里你是不是迫不及待敲起来命令行来加载我们的机器人到gazebo了，别着急，小鱼再推荐一个可视化服务请求工具，其实在第六章中小鱼介绍过，在rqt工具集里有一个叫服务请求工具。

命令行输入rqt，在插件选项中选择Services->Service Caller,然后再下拉框选择/spawn_entity服务，即可看到下面的界面。

接着我们把我们的FishBot的URDF模型复制粘贴，放到xml中（注意要把原来的’'删掉哦！），然后拿起我们的小电话，和小鱼一起Call。

接着就可以看到工厂返回说成功把机器人制作出来送入gazebo了。

此时再看我们的Gazebo,一个小小的，白白的机器人出现了。

按住Shift加鼠标左键，拖动一下，来好好的欣赏欣赏我们的机器人。

3.4 在不同位置加载多个机器人

欣赏完毕后，小鱼再带你生产一个fishbot（为了后面需要多机器人仿真的小伙伴）。

修改rqt中的参数，增加一个命名空间，然后修改一个位置，让第二个机器人和第一个相距1m的地方生产，然后点击Call。

返回成功，此时拖送Gazebo观察一下，发现多出了一个机器人，距离刚好是在X轴（红色）1米（一个小格子一米）处。

3.5 查询和删除机器人

利用rqt工具，我们再对另外两个服务接口进行请求。

查到了三个模型，一个大地，一个fishbot，一个fishbot_0。

我们接着尝试把fishbot_0删掉，选择删除实体，输入fishbot_0的名字，拿起小电话通知工厂回收我们的0号fishbot。

调用成功，观察gazebo发现机器人没了

4. 将启动gazebo和生产fishbot写成launch文件

打开fishbot工作空间，在src/fishbot_description/launch中添加一个gazebo.launch.py文件，我们开始编写launch文件来在gazebo中加载机器人模型。

启动gazebo，我们可以将命令行写成一个launch节点

ExecuteProcess(
   cmd=['gazebo', '--verbose', '-s', 'libgazebo_ros_factory.so'],
   output='screen')

上面我们加载机器人是直接将XML格式的URDF复制过去进行加载的，这样很不方便，我们可以使用gazebo_ros为我们提供好的一个叫做spawn_entity.py节点，该节点支持从文件地址直接生产机器人到Gazebo。

其实该节点的原理也很简单，从URDF中读取机器人模型，然后再调用服务，和我们手动操作一个样子，小鱼只道没差别。

该节点需要两个参数，一个机器人的模型名字和urdf的文件地址，这个简单，前面我们曾经使用package_share来拼接过urdf路径。

spawn_entity_cmd = Node(
    package='gazebo_ros', 
    executable='spawn_entity.py',
    arguments=['-entity', robot_name_in_model,  '-file', urdf_model_path ], output='screen')

最终写好的launch文件如下：

import os
from launch import LaunchDescription
from launch.actions import ExecuteProcess
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.substitutions import FindPackageShare


def generate_launch_description():
    robot_name_in_model = 'fishbot'
    package_name = 'fishbot_description'
    urdf_name = "fishbot_gazebo.urdf"

    ld = LaunchDescription()
    pkg_share = FindPackageShare(package=package_name).find(package_name) 
    urdf_model_path = os.path.join(pkg_share, f'urdf/{urdf_name}')

    # Start Gazebo server
    start_gazebo_cmd = ExecuteProcess(
        cmd=['gazebo', '--verbose', '-s', 'libgazebo_ros_factory.so'],
        output='screen')

    # Launch the robot
    spawn_entity_cmd = Node(
        package='gazebo_ros', 
        executable='spawn_entity.py',
        arguments=['-entity', robot_name_in_model,  '-file', urdf_model_path ], output='screen')

    ld.add_action(start_gazebo_cmd)
    ld.add_action(spawn_entity_cmd)


    return ld

编译运行

colcon build --packages-select fishbot_description
source install/setup.bash
ros2 launch fishbot_description gazebo.launch.py

完美显示

5.总结

这节课我们为Fishbot注入了仿真必须的物理属性，但是机器人还是不会动，下一节课我们就利用Gazebo的其他插件，让我们的机器人动起来。

最后再留一个课后作业：

1. 尝试将fishbot的物理属性去掉，再加载机器人看看会发生什么？
2. 尝试将fishbot的碰撞改成很小，再看看会发生什么？
3. gazebo还支持link的材料修改，在URDF中添加下面的代码，给支撑轮一个不一样的材质吧，你也可以将reference改成其他link，装点一下你的机器人。

   
       Gazebo/Black
     
   

欢迎将你的实验结果在我们的fishros社区分享~