搭建机器人

本教程介绍如何用 SDFormat 搭建机器人。我们将构建一个简单的两轮机器人。

可在此处查看本教程完成的 SDF 文件。

什么是 SDF

SDFormat（Simulation Description Format，仿真描述格式），有时缩写为 SDF，是一种 XML 格式，用于描述机器人仿真、可视化和控制中的对象与环境。

构建一个世界（World）

先构建一个简单的世界，再在其中搭建机器人。新建名为 building_robot.sdf 的文件，将以下代码复制进去。

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.10">
    <world name="car_world">
        <physics name="1ms" type="ignored">
            <max_step_size>0.001</max_step_size>
            <real_time_factor>1.0</real_time_factor>
        </physics>
        <plugin
            filename="gz-sim-physics-system"
            name="gz::sim::systems::Physics">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-user-commands-system"
            name="gz::sim::systems::UserCommands">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-scene-broadcaster-system"
            name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster">
        </plugin>

        <light type="directional" name="sun">
            <cast_shadows>true</cast_shadows>
            <pose>0 0 10 0 0 0</pose>
            <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
            <specular>0.2 0.2 0.2 1</specular>
            <attenuation>
                <range>1000</range>
                <constant>0.9</constant>
                <linear>0.01</linear>
                <quadratic>0.001</quadratic>
            </attenuation>
            <direction>-0.5 0.1 -0.9</direction>
        </light>

        <model name="ground_plane">
            <static>true</static>
            <link name="link">
                <collision name="collision">
                <geometry>
                    <plane>
                    <normal>0 0 1</normal>
                    </plane>
                </geometry>
                </collision>
                <visual name="visual">
                <geometry>
                    <plane>
                    <normal>0 0 1</normal>
                    <size>100 100</size>
                    </plane>
                </geometry>
                <material>
                    <ambient>0.8 0.8 0.8 1</ambient>
                    <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
                    <specular>0.8 0.8 0.8 1</specular>
                </material>
                </visual>
            </link>
        </model>
    </world>
</sdf>

保存文件后，进入所在目录并启动仿真器：

gz sim building_robot.sdf

注意：文件可随意命名并保存在任意位置。

此时应看到一个仅含地面和太阳光的空世界。查看 World 演示学习如何构建自己的世界。

构建一个模型（Model）

在 </model> 标签下，按如下方式添加机器人模型：

定义模型

<model name='vehicle_blue' canonical_link='chassis'>
    <pose relative_to='world'>0 0 0 0 0 0</pose>

这里定义了模型的名称 vehicle_blue，该名称在同级标签（同一层级的其他标签或模型）中必须唯一。每个模型可以指定一个链接（Link）作为 canonical_link，模型的隐式坐标系（frame）就附着在该链接上。若未定义，则第一个 <link> 默认为 canonical link。 <pose> 标签定义模型的位置和方向，relative_to 属性指定模型相对于其他坐标系的位姿。若未定义 relative_to，模型的 <pose> 默认相对于世界（World）。

将位姿设为相对于 world。pose 标签内的值格式为 <pose>X Y Z R P Y</pose>，其中 X Y Z 表示坐标系的位置，R P Y 分别表示 roll、pitch、yaw 方向。这里全部设为零，使模型坐标系与世界坐标系重合。

构成机器人的链接（Link）

每个模型由若干链接（Link）组成，通过关节（Joint）连接在一起（也可以只有一个链接）。

底盘（Chassis）

    <link name='chassis'>
        <pose relative_to='__model__'>0.5 0 0.4 0 0 0</pose>

这里定义了第一个链接，即机器人的 底盘 (chassis)，以及它相对于 模型 (model) 的位姿。

惯性属性（Inertial properties）

    <inertial> <!--inertial properties of the link mass, inertia matrix-->
        <mass>1.14395</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.095329</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.381317</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.476646</izz>
        </inertia>
    </inertial>

这里定义了底盘的惯性属性，包括 <mass>（质量）和 <inertia>（惯性矩阵）。基本形状的惯性矩阵值可使用这个工具计算。

视觉与碰撞（Visual and collision）

    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <box>
                <size>2.0 1.0 0.5</size>
            </box>
        </geometry>
        <!--let's add color to our link-->
        <material>
            <ambient>0.0 0.0 1.0 1</ambient>
            <diffuse>0.0 0.0 1.0 1</diffuse>
            <specular>0.0 0.0 1.0 1</specular>
        </material>
    </visual>

顾名思义，<visual> 标签负责定义链接的外观。在 <geometry> 标签内将链接形状定义为 <box>（长方体），并在 <size> 标签中指定长方体的三个尺寸（以米为单位）。随后在 <material> 标签内定义链接的材质。这里通过四组取值范围为 [0, 1] 的数字（红/绿/蓝/alpha）分别设置了 <ambient>、<diffuse> 和 <specular> 颜色。

        <collision name='collision'>
            <geometry>
                <box>
                    <size>2.0 1.0 0.5</size>
                </box>
            </geometry>
        </collision>
    </link>
</model>

<collision> 标签定义链接的碰撞属性，即链接如何与其他对象发生碰撞，以及物理引擎对它的影响。

注意：<collision> 可以不同于视觉属性。例如，通常会使用更简单的碰撞模型来减少计算量。

将以上所有部分按顺序添加到世界文件中后，再次运行：

gz sim building_robot.sdf

模型应该呈现如下效果：

汽车底盘

在左上角工具栏中点击 Translate 图标，然后选择模型。此时应看到三个坐标轴，如下图所示：

模型轴

这些就是模型的坐标轴，其中红色为 x 轴，绿色为 y 轴，蓝色为 z 轴。

左轮（Left wheel）

接下来为机器人添加轮子。以下代码放在 </link> 标签之后、</model> 标签之前。属于同一模型的所有链接和关节都应在 </model> 之前定义。

<link name='left_wheel'>
    <pose relative_to="chassis">-0.5 0.6 0 -1.5707 0 0</pose>
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.043333</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.043333</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.08</izz>
        </inertia>
    </inertial>

定义了链接名称 left_wheel，并指定其 <pose> relative_to（相对于）chassis 链接。轮子需要放在底盘后部的左侧，因此 pose 的位置取值为 -0.5 0.6 0。此外，轮子是圆柱体，但需要侧放。因此将方向值设为 -1.5707 0 0，即绕 x 轴旋转 -90 度（角度以弧度为单位）。随后定义轮子的 inertial（惯性）属性：mass（质量）和 inertia（惯性矩阵）。

可视化与碰撞（Visualization and Collision）

    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
            <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
            <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
    </collision>
</link>

<visual> 和 <collision> 属性与上一个链接类似，只是链接形状是 <cylinder>（圆柱体），需要两个属性：圆柱体的 <radius>（半径）和 <length>（长度）。保存文件并再次运行世界，模型应呈现如下效果：

右轮（Right wheel）

<!--The same as left wheel but with different position-->
<link name='right_wheel'>
    <pose relative_to="chassis">-0.5 -0.6 0 -1.5707 0 0</pose> <!--angles are in radian-->
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.043333</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.043333</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.08</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
            <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
            <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
    </collision>
</link>

右轮与左轮类似，仅位置不同。

定义任意坐标系（Defining an arbitrary frame）

自 SDF 1.7 起（Fortress 使用 SDF 1.8），可以定义任意坐标系（frame）。它需要两个属性：

name：坐标系的名称
attached_to：该坐标系所附着的坐标系或链接的名称。

下面为万向轮（caster wheel）添加一个坐标系，如下所示：

<frame name="caster_frame" attached_to='chassis'>
    <pose>0.8 0 -0.2 0 0 0</pose>
</frame>

将坐标系命名为 caster_frame，并附着到 chassis 链接上，然后用 <pose> 标签定义该坐标系的位置和方向。由于未使用 relative_to 属性，位姿相对于 attached_to 属性中指定的坐标系，本例中即 chassis。

万向轮（Caster wheel）

<!--caster wheel-->
<link name='caster'>
    <pose relative_to='caster_frame'/>
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.016</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.016</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.016</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <sphere>
                <radius>0.2</radius>
            </sphere>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>0.0 1 0.0 1</ambient>
            <diffuse>0.0 1 0.0 1</diffuse>
            <specular>0.0 1 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <sphere>
                <radius>0.2</radius>
            </sphere>
        </geometry>
    </collision>
</link>

最后一个链接是 caster，其位姿相对于上面定义的 caster_frame 坐标系。如你所见，这里直接关闭了 pose 标签，未定义位置或方向；此时链接的位姿与 relative_to 中的坐标系一致（即单位位姿，identity）。

在 <visual> 和 <collision> 标签中，使用了不同的形状 <sphere>（球体），它需要球体的 <radius>（半径）。

用关节连接链接（Connecting links together）

需要将这些链接连接起来，这正是 <joint> 标签的作用。<joint> 标签将两个链接连接在一起，并定义它们之间相对运动的方式。在 <joint> 标签内，需要定义要连接的两个链接以及它们之间的关系（运动方式）。

左轮关节（Left wheel joint）

<joint name='left_wheel_joint' type='revolute'>
    <pose relative_to='left_wheel'/>

第一个关节是 left_wheel_joint。它有两个属性：名称 name='left_wheel_joint' 和类型 type='revolute'。 revolute（旋转）类型提供带关节限位的 1 个旋转自由度。关节的位姿与子链接的坐标系一致，即 left_wheel 坐标系。

    <parent>chassis</parent>
    <child>left_wheel</child>

每个关节将两个链接（刚体）连接在一起。这里将 chassis 与 left_wheel 连接。 chassis 是父链接（parent link），left_wheel 是子链接（child link）。

    <axis>
        <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz> <!--can be defined as any frame or even arbitrary frames-->
        <limit>
            <lower>-1.79769e+308</lower>    <!--negative infinity-->
            <upper>1.79769e+308</upper>     <!--positive infinity-->
        </limit>
    </axis>
</joint>

这里定义了旋转轴。旋转轴可以是任何坐标系，不仅限于 parent（父）或 child（子）链接。这里选择了相对于 model（模型）坐标系的 y 轴，因此 y 元素填 1，其他元素填 0。对于 revolute 关节，需要在 <lower> 和 <upper> 标签中定义旋转角度的 <limits>（限位）。

注意：角度以弧度为单位。

右轮关节（Right wheel joint）

right_wheel_joint 与左轮关节非常相似，只是关节的位姿不同。这个关节将 right_wheel 与 chassis 连接起来。

<joint name='right_wheel_joint' type='revolute'>
    <pose relative_to='right_wheel'/>
    <parent>chassis</parent>
    <child>right_wheel</child>
    <axis>
        <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz>
        <limit>
            <lower>-1.79769e+308</lower>    <!--negative infinity-->
            <upper>1.79769e+308</upper>     <!--positive infinity-->
        </limit>
    </axis>
</joint>

万向轮关节（Caster wheel joint）

对于万向轮，需要使用不同类型的关节。这里使用 type='ball'，它提供 3 个旋转自由度。

<joint name='caster_wheel' type='ball'>
    <parent>chassis</parent>
    <child>caster</child>
</joint>

结论

运行世界：

gz sim building_robot.sdf

模型应呈现如下效果：

双轮机器人

太棒了！第一个机器人搭建完成。可在此处了解更多关于 SDFormat 标签的详细信息。在下一个教程中，将学习如何让机器人移动起来。

视频演示

本教程的视频演示可在 YouTube 频道观看：Gazebo 教程：搭建机器人。