ROS 2 Jazzy Jalisco 模型工具 URDF 总结和习题

中文总结

本教程旨在教授如何在URDF（统一机器人描述格式）中定义可移动关节，以构建一个具有活动部件的机器人模型。在之前的教程中，我们创建了一个R2D2模型，但其所有关节都是固定的。现在，我们将探索三种重要的关节类型：连续关节（continuous）、旋转关节（revolute）和棱柱关节（prismatic），并将它们应用到R2D2模型中，使其关节能够活动。

1. 连续关节（Continuous Joint）

• 应用实例：头部旋转关节（head_swivel）
• 特点：可以无限旋转，没有固定的上下限。
• 配置：需要指定旋转轴（axis）和原点（origin）。在本例中，头部围绕z轴旋转，因此旋转轴设置为“0 0 1”。

2. 旋转关节（Revolute Joint）

• 应用实例：夹持器关节（left_gripper_joint和对应的右夹持器关节）
• 特点：可以旋转，但有固定的上下限。
• 配置：除了旋转轴和原点外，还需要指定旋转限制（limit），包括最大努力（effort）、最小角度（lower）、最大角度（upper）和最大速度（velocity）。在本例中，夹持器关节在0到0.548弧度（约31.4度）之间旋转。

3. 棱柱关节（Prismatic Joint）

• 应用实例：夹持器臂（gripper_extension）
• 特点：沿一条直线移动，而不是旋转。
• 配置：需要指定移动限制，单位为米。在本例中，夹持器臂在-0.38米到0米之间移动。

4. 其他关节类型

• 平面关节（Planar Joint）：可以在二维平面内移动。
• 浮动关节（Floating Joint）：可以在三维空间内自由移动，没有约束。

这些关节类型在本教程中没有详细介绍，因为它们需要更复杂的配置。

5. 指定姿态（Pose）

• 当在GUI中移动滑块时，模型在Rviz中移动。这是通过解析URDF，找到所有非固定关节及其限制，并使用滑块的值发布sensor_msgs/msg/JointState消息来实现的。
• robot_state_publisher使用这些消息计算不同部件之间的所有变换。
• 结果变换树用于在Rviz中显示所有形状。

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本教程旨在教授如何在URDF（统一机器人描述格式）模型中添加碰撞和物理属性，以及如何为关节添加动力学属性。以下是本教程内容的详细中文总结：

碰撞属性（Collision）

1. 定义：在URDF中，除了定义机器人的视觉外观（通过visual标签）外，还需要定义碰撞属性（通过collision标签）。这是为了使机器人能够在模拟环境中进行碰撞检测和交互。

2. 结构：collision标签是link对象的直接子元素，与visual标签处于同一层级。它使用与visual相同的geometry标签来定义形状。

3. 用途：

   • 简化处理：碰撞检测对于复杂网格来说计算量大，因此可以在collision标签中使用更简单的几何形状来替代。
   • 安全区域：通过定义特定的碰撞几何形状，可以限制机器人部件的运动范围，从而避免与敏感设备的碰撞。

物理属性（Physical Properties）

1. 惯性（Inertia）：
   • 每个需要模拟的link元素都需要一个inertial标签。
   • mass属性定义质量（单位：千克）。
   • inertia属性是一个3x3的旋转惯性矩阵，用于描述物体绕其质心的旋转惯性。对于简单的几何形状，可以使用公式计算其惯性张量。
   • 可以使用origin标签来指定质心和惯性参考系（相对于link的参考系）。
2. 接触系数（Contact Coefficients）：
   • 在collision标签下，可以使用contact_coefficients子元素来定义链接在接触时的行为。
   • 包括三个属性：mu（摩擦系数）、kp（刚度系数）和kd（阻尼系数）。

关节动力学（Joint Dynamics）

1. 定义：关节的动力学属性通过dynamics标签来定义，它决定了关节的运动方式。

2. 属性：

   • friction：物理静摩擦力。对于棱柱关节，单位是牛顿；对于旋转关节，单位是牛顿米。
   • damping：物理阻尼值。对于棱柱关节，单位是牛顿秒/米；对于旋转关节，单位是牛顿米秒/弧度。

3. 默认值：如果未指定，这些系数默认为零。

其他标签（Other Tags）

• 在纯URDF中（不包括Gazebo特定标签），还有两个标签可以帮助定义关节：calibration和safety controller。这些标签在本教程中未详细介绍，但可以在URDF规范中找到相关信息。

下一步

• 在掌握了如何在URDF中添加碰撞和物理属性后，你可以进一步探索如何使用这些属性来优化你的机器人模型，使其在模拟环境中更加真实和可靠。
• 还可以考虑使用xacro来简化URDF文件的编写，提高代码的可读性和可维护性。

通过本教程，你应该能够了解如何在URDF中添加碰撞和物理属性，以及为关节添加动力学属性，这将为你进一步开发机器人应用提供有力的支持。

 

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练习题

单选题

1. 在URDF中，哪种关节类型允许无限旋转，没有固定的上下限？
   A. 棱柱关节（Prismatic Joint）
   B. 旋转关节（Revolute Joint）
   C. 连续关节（Continuous Joint）
   D. 平面关节（Planar Joint）

   答案：C

2. 在配置旋转关节时，哪个属性用于指定关节旋转的最大角度？
   A. axis
   B. origin
   C. upper
   D. velocity

   答案：C

3. 在URDF中定义棱柱关节时，需要指定哪种限制？
   A. 旋转限制（limit）
   B. 移动限制（translational limit）
   C. 最大努力（effort）
   D. 最小角度（lower）

   答案：B（注意：在URDF中，棱柱关节的限制通常称为“translation”或“移动限制”，但直接选项“translational limit”可能不是标准术语，但在此上下文中理解为沿直线的移动限制，故选择B作为最接近的答案）

4. 在Rviz中显示机器人模型时，哪个组件负责计算不同部件之间的所有变换？
   A. robot_state_publisher
   B. joint_state_publisher
   C. rviz_visualizer
   D. urdf_parser

   答案：A

5. xacro的主要功能是什么？
   A. 解析URDF文件
   B. 简化URDF文件的代码
   C. 在Rviz中显示机器人模型
   D. 控制机器人的物理行为

   答案：B

多选题

1. 下列哪些关节类型在URDF中需要指定旋转轴（axis）？
   A. 连续关节（Continuous Joint）
   B. 旋转关节（Revolute Joint）
   C. 棱柱关节（Prismatic Joint）
   D. 平面关节（Planar Joint）

   答案：A, B, D（连续关节、旋转关节和平面关节都需要指定旋转轴，而棱柱关节不需要）

2. 在配置URDF文件中的旋转关节时，可能需要设置哪些属性？
   A. 旋转轴（axis）
   B. 原点（origin）
   C. 最大努力（effort）
   D. 移动限制（translational limit）

   答案：A, B, C（旋转关节需要设置旋转轴、原点以及可能的旋转限制，包括最大努力等，而移动限制是棱柱关节的属性）

判断题

1. 棱柱关节允许机器人部件在三维空间内沿任意方向移动。（）

   答案：错误（棱柱关节只允许沿一条直线移动）

2. 使用xacro可以显著减少URDF文件的冗余和复杂性。（）

   答案：正确（xacro通过宏、变量和包含等功能，确实可以简化URDF文件的编写）

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单选题

1. 在URDF中，用于定义机器人部件的视觉外观的标签是？
   A. collision
   B. visual
   C. inertial
   D. geometry

   答案：B

2. 下列哪个属性用于定义URDF中link元素的质量？
   A. inertia
   B. mass
   C. mu
   D. kp

   答案：B

3. 在URDF中，用于定义碰撞检测时使用的几何形状的标签是？
   A. collision
   B. visual 和 collision
   C. geometry
   D. inertial

   答案：C（但需注意geometry是在collision和visual标签内使用的）

   （注：此题存在细微歧义，因为geometry是嵌套在collision或visual内的。但根据题目要求选择最直接相关的标签，C是正确答案，因为它直接定义了形状。）

4. 关节的物理静摩擦力通过哪个属性来定义？
   A. damping
   B. friction
   C. mass
   D. inertia

   答案：B

5. 在URDF中，用于描述物体绕其质心的旋转惯性的属性是？
   A. mass
   B. geometry
   C. inertia
   D. mu

   答案：C

多选题

1. 以下哪些属性可以在URDF的contact_coefficients子元素中定义？
   A. mu（摩擦系数）
   B. kp（刚度系数）
   C. kd（阻尼系数）
   D. mass（质量）

   答案：A, B, C

2. 在URDF中，哪些标签可以帮助定义关节的属性（不包括Gazebo特定标签）？
   A. dynamics
   B. calibration
   C. safety controller
   D. inertial

   答案：B, C（虽然dynamics也是关节相关的，但它是直接定义关节动力学的，而题目要求不包括直接定义关节动力学的标签，因此更侧重于关节的辅助定义标签）

判断题

1. 在URDF中，collision标签的geometry可以比visual标签的geometry更复杂，以提供更精确的碰撞检测。

   答案：错（实际上，为了简化计算，collision标签中的geometry通常会比visual标签中的更简单）

2. 如果在URDF中没有为关节指定dynamics属性，那么这些属性的默认值将为零。

   答案：对

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