添加物理与碰撞属性

目标： 学习如何为 link 添加碰撞和惯性属性，以及如何为关节添加关节动力学。

教程级别： 中级

预计用时： 10 分钟

本教程将介绍如何为 URDF 模型添加基本的物理属性，并定义碰撞属性。

碰撞

到目前为止，我们只通过 visual 子元素来定义 link，顾名思义，它描述的是机器人的外观。但要让碰撞检测正常工作或在仿真器中运行，还需要额外定义 collision 元素。这里是带有碰撞和物理属性的新 URDF。

以下是新的 base link 代码。

<link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0 0 .8 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
      </geometry>
    </collision>
  </link>

collision 元素是 link 的直接子元素，与 visual 标签同级。
collision 元素通过 geometry 标签定义形状，用法与 visual 元素完全相同。
同样可以在 collision 标签下指定 origin 子元素，方式与 visual 一致。

在多数情况下，碰撞几何体和原点会与可视几何体和原点保持一致。但有两种常见情况需要区别对待：

提升处理速度： 对两个网格进行碰撞检测的计算量远大于两个简单几何体。因此，可以在 collision 元素中用更简单的几何体替代网格。
安全区域： 有时需要限制运动范围，避免靠近敏感部件。例如，如果不希望任何东西碰到 R2D2 的头部，可以把碰撞几何体定义为一个包围头部的圆柱体，从而阻止其他物体过于靠近。

物理属性

要让模型正确仿真，需要为机器人定义一些物理属性，也就是 Gazebo 等物理引擎所需的参数。

惯性

每个参与仿真的 link 元素都需要一个 inertial 标签。下面是一个简单的示例。

<link name="base_link">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
    </geometry>
    <material name="blue">
      <color rgba="0 0 .8 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <geometry>
      <cylinder length="0.6" radius="0.2"/>
    </geometry>
  </collision>
  <inertial>
    <mass value="10"/>
    <inertia ixx="1e-3" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1e-3" iyz="0.0" izz="1e-3"/>
  </inertial>
</link>

这个元素同样是 link 的子元素。
质量的单位为千克。
3×3 旋转惯性矩阵通过 inertia 元素指定。由于矩阵是对称的，只需 6 个元素即可表示，如下所示：


ixx	ixy	ixz
ixy	iyy	iyz
ixz	iyz	izz

这些信息可以由 MeshLab 等建模软件提供。几何图元（圆柱体、长方体、球体）的惯性可以参考维基百科的惯性矩张量列表来计算（上面的示例就使用了这些值）。
惯性张量取决于物体的质量和质量分布。一个较好的初步近似，是假设质量在物体体积内均匀分布，再根据物体形状计算惯性张量。
如果不确定该填什么，ixx/iyy/izz=1e-3 或更小的值对于中等大小的 link 通常是一个合理的默认值（对应于边长 0.1 m、质量 0.6 kg 的长方体）。单位矩阵则是特别糟糕的选择，因为惯性通常过高（对应于边长 0.1 m、质量 600 kg 的长方体！）。
还可以指定 origin 标签，用于定义重心和惯性参考系（相对于 link 的参考系）。
使用实时控制器时，零（或接近零）的惯性可能导致机器人模型在没有任何警告的情况下坍塌，所有 link 的原点将与世界原点重合。

接触系数

此外，还可以定义 link 之间接触时的行为方式，这通过 collision 标签下的 contact_coefficients 子元素来设置。需要指定三个属性：

关节动力学

关节的运动特性由 dynamics 标签定义，包含两个属性：

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。

如果未指定，这些系数默认为零。

其他标签

在纯 URDF 范畴内（即不包括 Gazebo 特定的标签），还有两个标签可用于定义关节特性：calibration 和 safety controller。它们不在本教程的讨论范围内，请参阅规范。

下一步

通过使用 xacro来减少代码量和繁琐的数学计算。