ur5在gazebo中仿真的官方源码浅析

news2024/11/15 9:15:05

一 复现

好久之前初学ros+gazebo机械臂仿真的时候总有些懵,用的是ur5机械臂,现在回过头来看好像看懂了一些,故重新理清了一下功能包的逻辑,方便查阅。
官方源码
本文参考
ubuntu16.04安装UR3/UR5/UR10机械臂的ROS驱动并实现gazebo下Moveit运动规划仿真以及真实UR3机械臂的运动控制(1)

1.1 roslaunch ur_gazebo ur5.launch

<?xml version="1.0"?>
<launch>
  <arg name="limited" default="false"  doc="If true, limits joint range [-PI, PI] on all joints." />
  <arg name="paused" default="false" doc="Starts gazebo in paused mode" />
  <arg name="gui" default="true" doc="Starts gazebo gui" />
  
  <!-- startup simulated world -->
  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="world_name" default="worlds/empty.world"/>
    <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
    <arg name="gui" value="$(arg gui)"/>
  </include>


  <!-- send robot urdf to param server -->
  <include file="$(find ur_description)/launch/ur5_upload.launch">
    <arg name="limited" value="$(arg limited)"/>
  </include>

  <!-- push robot_description to factory and spawn robot in gazebo -->
  <node name="spawn_gazebo_model" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" args="-urdf -param robot_description -model robot -z 0.1" respawn="false" output="screen" />

  <include file="$(find ur_gazebo)/launch/controller_utils.launch"/>

  <!-- start this controller -->
  <rosparam file="$(find ur_gazebo)/controller/arm_controller_ur5.yaml" command="load"/>
  <node name="arm_controller_spawner" pkg="controller_manager" type="controller_manager" args="spawn arm_controller" respawn="false" output="screen"/>

  <!-- load other controllers -->
  <node name="ros_control_controller_manager" pkg="controller_manager" type="controller_manager" respawn="false" output="screen" args="load joint_group_position_controller" />

</launch>

1.1.1 找gazebo_ros功能包(该包是安装了gazebo默认有的,会自动索引找到系统中该功能包的位置),并打开empty_world。
1.1.2 找ur_description功能包,并打开ur5_upload.launch,主要是对机械臂模型的各个参数进行初始化,在以下目录找到:
在这里插入图片描述

<?xml version="1.0"?>
<launch>
  <arg name="limited" default="false" doc="If true, limits joint range [-PI, PI] on all joints." />
  <arg name="transmission_hw_interface" default="hardware_interface/PositionJointInterface" />

  <param unless="$(arg limited)" name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ur_description)/urdf/ur5_robot.urdf.xacro' transmission_hw_interface:=$(arg transmission_hw_interface)" />
  <param if="$(arg limited)" name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ur_description)/urdf/ur5_joint_limited_robot.urdf.xacro' transmission_hw_interface:=$(arg transmission_hw_interface)" />
</launch>

这里的"limited"参数arg默认值是false,所以下面的两句话执行unless那句,那么ur5_upload.launch做了一件事,打开了ur5_robot.urdf.xacro(或者ur5_joint_limited_robot.urdf.xacr)。
param unless=“$(0 or 1)” name=“robot_description” command=……”将ur5_robot.urdf.xacro模型文件作为参数robot_description上传至参数服务器。

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"
       name="ur5" >

  <xacro:arg name="transmission_hw_interface" default="hardware_interface/PositionJointInterface"/>

  <!-- common stuff -->
  <xacro:include filename="$(find ur_description)/urdf/common.gazebo.xacro" />

  <!-- ur5 -->
  <xacro:include filename="$(find ur_description)/urdf/ur5.urdf.xacro" />

  <!-- arm -->
  <xacro:ur5_robot prefix="" joint_limited="false"
    transmission_hw_interface="$(arg transmission_hw_interface)"
  />

  <link name="world" />

  <joint name="world_joint" type="fixed">
    <parent link="world" />
    <child link = "base_link" />
    <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
  </joint>

</robot>


1.1.2.1 打开common.gazebo.xacro
libgazebo_ros_control.so提供了一些ROS控制器,如关节控制器和力/扭矩控制器,可以与Gazebo仿真环境中的机器人模型进行交互。

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

  <gazebo>
    <plugin name="ros_control" filename="libgazebo_ros_control.so">
      <!--robotNamespace>/</robotNamespace-->
      <!--robotSimType>gazebo_ros_control/DefaultRobotHWSim</robotSimType-->
    </plugin>

<!--
    <plugin name="gazebo_ros_power_monitor_controller" filename="libgazebo_ros_power_monitor.so">
      <alwaysOn>true</alwaysOn>
      <updateRate>1.0</updateRate>
      <timeout>5</timeout>
      <powerStateTopic>power_state</powerStateTopic>
      <powerStateRate>10.0</powerStateRate>
      <fullChargeCapacity>87.78</fullChargeCapacity>     
      <dischargeRate>-474</dischargeRate>
      <chargeRate>525</chargeRate>
      <dischargeVoltage>15.52</dischargeVoltage>
      <chargeVoltage>16.41</chargeVoltage>
    </plugin>
-->
  </gazebo>

</robot>

1.1.2.2 打开ur5.urdf.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

  <xacro:include filename="$(find ur_description)/urdf/ur.transmission.xacro" />
  <xacro:include filename="$(find ur_description)/urdf/ur.gazebo.xacro" />

  <xacro:macro name="cylinder_inertial" params="radius length mass *origin">
    <inertial>
      <mass value="${mass}" />
      <xacro:insert_block name="origin" />
      <inertia ixx="${0.0833333 * mass * (3 * radius * radius + length * length)}" ixy="0.0" ixz="0.0"
        iyy="${0.0833333 * mass * (3 * radius * radius + length * length)}" iyz="0.0"
        izz="${0.5 * mass * radius * radius}" />
    </inertial>
  </xacro:macro>

  <xacro:macro name="ur5_robot" params="prefix joint_limited
    shoulder_pan_lower_limit:=${-pi}    shoulder_pan_upper_limit:=${pi}
    shoulder_lift_lower_limit:=${-pi}    shoulder_lift_upper_limit:=${pi}
    elbow_joint_lower_limit:=${-pi}    elbow_joint_upper_limit:=${pi}
    wrist_1_lower_limit:=${-pi}    wrist_1_upper_limit:=${pi}
    wrist_2_lower_limit:=${-pi}    wrist_2_upper_limit:=${pi}
    wrist_3_lower_limit:=${-pi}    wrist_3_upper_limit:=${pi}
    transmission_hw_interface:=hardware_interface/PositionJointInterface
    safety_limits:=false safety_pos_margin:=0.15
    safety_k_position:=20">
    ……
  • ur.transmission.xacro 在仿真中模拟关节电机
  • ur.gazebo.xacro 使能自碰撞检测
  • 定义了圆柱体惯性矩阵的计算公式,后面各个轴的惯性矩阵直接将其参数代入该公式即可。
  • 定义了ur5_robot电机旋转限制
  • 省略部分还定义了一些宏定义和运动学参数相关
  • 最后就是构建关节和轴之间的连接特性并且导入模型,dae和stl后缀文件可以用SolidWorks打开和绘制导出。

1.1.3 告诉Gazebo从上个步骤上传到参数服务器的robot_description读取urdf模型文件。

  <node name="spawn_gazebo_model" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" args="-urdf -param robot_description -model robot -z 0.1" respawn="false" output="screen" />

1.1.4 引入controller_utils.launch文件,启动robot_state_publisher和joint_state_controller节点

robot_state_publisher从/joint_states话题中获取机器人joint角度作为输入, 使用机器人的运动学树模型计算出机器人link的3D姿态, 然后将其发布到话题/tf和 /tf_static. joint_state_publisher从ROS参数服务器中读取robot_description参数, 找到所有non-fixed joint, 发布他们的JointState消息到/joint_states话题.
rosparam load load parameters from file 从文件读取参数
把关节控制的配置信息读取到参数服务器

<?xml version="1.0"?>
<launch>

  <!-- Robot state publisher -->
  <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher">
    <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    <param name="tf_prefix" type="string" value="" />
  </node>

  <!-- Fake Calibration -->
  <node pkg="rostopic" type="rostopic" name="fake_joint_calibration"
        args="pub /calibrated std_msgs/Bool true" />
  
  <!-- joint_state_controller -->
  <rosparam file="$(find ur_gazebo)/controller/joint_state_controller.yaml" command="load"/>
  <node name="joint_state_controller_spawner" pkg="controller_manager" type="controller_manager" args="spawn joint_state_controller" respawn="false" output="screen"/>
  
</launch>

上传数据到参数服务器有两种写法,
一种是前面提到的

<param if="$(arg limited)" name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ur_description)/urdf/ur5_joint_limited_robot.urdf.xacro' transmission_hw_interface:=$(arg transmission_hw_interface)" />

另一种是加载yaml
最后发布joint_state_controller节点。

<rosparam file="$(find ur_gazebo)/controller/joint_state_controller.yaml" command="load"/>

controller_manager参考 ROS机械臂开发:Moveit + Gazebo仿真/Gazebo配置
功能和joint_state_publisher这个节点是一样的,只是数据输入不一样,输出都是话题形式
应该是等同于

<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

1.1.5 启动joint_position_controller(arm_controller)节点
controller概念详见:
http://wiki.ros.org/controller_manager

1.2 roslaunch ur5_moveit_config ur5_moveit_planning_execution.launch sim:=true

rviz相关初始化。打开move_group.launch

<launch>
  <arg name="sim" default="false" />
  <arg name="limited" default="false"/>
  <arg name="debug" default="false" />
    
  <!-- Remap follow_joint_trajectory -->
  <remap if="$(arg sim)" from="/follow_joint_trajectory" to="/arm_controller/follow_joint_trajectory"/>
  
  <!-- Launch moveit -->
  <include file="$(find ur5_moveit_config)/launch/move_group.launch">
    <arg name="limited" default="$(arg limited)"/>
    <arg name="debug" default="$(arg debug)" />
  </include>
</launch>

又打开了几个文件
1.2.1 planning_context.launch

<launch>
  <!-- By default we do not overwrite the URDF. Change the following to true to change the default behavior -->
  <arg name="load_robot_description" default="false"/>
  <arg name="limited" default="false"/>

  <!-- The name of the parameter under which the URDF is loaded -->
  <arg name="robot_description" default="robot_description"/>

  <!-- Load universal robot description format (URDF) -->
  <group if="$(arg load_robot_description)">
    <param unless="$(arg limited)" name="$(arg robot_description)" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ur_description)/urdf/ur5_robot.urdf.xacro'" />
    <param if="$(arg limited)" name="$(arg robot_description)" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ur_description)/urdf/ur5_joint_limited_robot.urdf.xacro'" />
  </group>

  <!-- The semantic description that corresponds to the URDF -->
  <param name="$(arg robot_description)_semantic" textfile="$(find ur5_moveit_config)/config/ur5.srdf" />
  
  <!-- Load updated joint limits (override information from URDF) -->
  <group ns="$(arg robot_description)_planning">
    <rosparam command="load" file="$(find ur5_moveit_config)/config/joint_limits.yaml"/>
  </group>

  <!-- Load default settings for kinematics; these settings are overridden by settings in a node's namespace -->
  <group ns="$(arg robot_description)_kinematics">
    <rosparam command="load" file="$(find ur5_moveit_config)/config/kinematics.yaml"/>
  </group>
  
</launch>

  • 导入ur机械臂模型ur5_robot.urdf.xacro
  • ur5.srdf
  • 设置关节速度、加速度等限制joint_limits.yaml
  • kinematics.yaml

1.2.2 planning_pipeline.launch.xml

<launch>

  <!-- This file makes it easy to include different planning pipelines; 
       It is assumed that all planning pipelines are named XXX_planning_pipeline.launch  -->  

  <arg name="pipeline" default="ompl" />

  <include file="$(find ur5_moveit_config)/launch/$(arg pipeline)_planning_pipeline.launch.xml" />

</launch>

打开了ompl_planning_pipeline.launch.xml,使用ompl规划库。
1.2.3 trajectory_execution.launch.xml
打开了ur5_moveit_controller_manager.launch.xml,又打开了controllers.yaml

controller_list:
  - name: ""
    action_ns: follow_joint_trajectory
    type: FollowJointTrajectory
    joints:
      - shoulder_pan_joint
      - shoulder_lift_joint
      - elbow_joint
      - wrist_1_joint
      - wrist_2_joint
      - wrist_3_joint

节点名称为follow_joint_trajectory,联系到上文move_group.launch的 <remap if="$(arg sim)" from="/follow_joint_trajectory" to="/arm_controller/follow_joint_trajectory"/>
如果我们使能sim,那么就会讲上图发布的/follow_joint_trajectory映射到/arm_controller/follow_joint_trajectory。
move_group并不发布机器人的关节信息,这必须在机器人上实现。move_group只监听tf,tf信息由机器人发布,需要在机器人上运行robot_state_publisher节点。
1.2.4 sensor_manager.launch.xml 初始化传感器控制器
1.2.5 启用move_group这个action

  <node name="move_group" launch-prefix="$(arg launch_prefix)" pkg="moveit_ros_move_group" type="move_group" respawn="false" output="screen" args="$(arg command_args)">

1.3 roslaunch ur3_moveit_config moveit_rviz.launch config:=true

打开moveit.rviz。

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