بررسی ساختار URDF

در بخش قبل با urdf آشنا شدید. در این قسمت قصد داریم تا مدلسازی ربات با استفاده از urdf را آموزش دهیم.

برای مدلسازی یک ربات لازم است تا ارتباط بین لینک‌ها و مفاصل آن در فایلی با پسوند .urdf مشخص شود.

در urdf می‌توان خصوصیات سینماتکی و دینامیکی ربات اعم از نحوه اتصال لینک‌ها، جرم و اینرسی آن و همچنین مدل مربوط به نمایش گرافیکی(visual) و مدل مربوط به برخورد(collision) را تعریف کرد، برای این کار از یک سری تگ‌های مخصوص استفاده می‌شودکه در ادامه به آنها می‌پردازیم.

تذکر: برای درک بهتر ساختار تگ‌ها لازم است تا مقداری با xml آشنایی داشته باشید.

در urdf برای هر تگ خواص و المانهایی تعریف شده است که بنابر نیاز می‌توان از آنها استفاده کرد، البته بعضی از آنها اجباری هستند. در شکل زیر این المان‎‌های به صورت کلی آورده شده‌اند.

در ادامه به توضیح هر کدام از این بخش های می‌پردازیم

۱-تگ Link:

تگ link معرف یک لینک یا عضو مجزا از ربات می‌باشد. با استفاده از این تگ ما می‌توانیم یک لینک از ربات را به همراه خصوصیات هندسی( نظیر اندازه، شکل، رنگ و حتی مدل CAD سه بعدی) و همچنین خصوصیات فیزیکی ( نظیر جرم، اینرسی و خواص برخورد)، مدل کنیم.

ساختار کلی این تگ به صورت زیر است:

<link name="my_link">
   <inertial>
     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
     <mass value="1"/>
     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
   </inertial>

   <visual>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
     <geometry>
       <box size="1 1 1" />
     </geometry>
     <material name="Cyan">
       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
     </material>
   </visual>

   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
     </geometry>
   </collision>
 </link>

همانطور که در مثال بالا مشاهده می‌کنید تگ link از سه المان اصلی زیر تشکیل شده است:

<link	name="<name of the link>">
 <inertial>...........</inertial>
 <visual> ............</visual>
 <collision>..........</collision>
</link>

اجازه دهید تا برای درک بهتر، ساختار این تگ را به صورت درختی نشان دهیم:

که هر کدام از این المان‌ها نیز دارای المان‌ها و خواصی می‌باشند.

۱- تگ Inertial

تگ inertial برای تعیین خصوصیات دینامیکی لینک مورد نظر می‌باشد به این ترتیب شما می‌توانید با استفاده از پارامترهای زیر خصوصیات دینامیکی لینک مورد نظر خودتان را مشخص کنید.

• <origin>

xyz بیانگر مختصات مرکز جرم لینک و مرکز دستگاه مختصات اینرسی(inertial)، نسبت به دستگاه مرجع لینک(link origin) بوده و همچنینrpy نیز دوران دستگاه مختصات اینرسی نسبت به دستگاه مرجع لینک را بیان می‌کند.(به شکل زیر نگاه کنید) .

• <mass>

در این تگ جرم لینک بر اساس کیلوگرم تعیین می‌شود.

• <inertia>

در این قسمت ماتریس اینرسی دورانی لینک موردنظر حول محورهای تعیین شده در تگ origine بیان می‌شود. از آنجایی که ماتریس اینرسی دورانی متقارن است با تعیین ۶ پارامتر مستقل ixx, ixy, ixz, iyy, iyz, izz. این ماتریس توصیف می‌شود. دقت داشته باشید که مقادیر این ماتریس باید بر اساس قرارگیری محورهای دستگاه اینرسی در مرکزجرم لینک محاسبه شده باشند. برای استخراج این مقادیر برای لینکهای دارای پیچیدگی هندسی می‌توانید از نرم‌افزارهای CAD استفاده کنید.

۲-تگ های <visual> و <collision>

مدل  <visual> بیانگر ناحیه واقعی لینک با شکل ظاهری احتمالاً پیچیده است و مدل <collision> بیانگر ناحیه دربرگیرنده مدل واقعی لینک، با ظاهری ساده است که از آن برای محاسبات برخورد در شبیه‌سازی استفاده می‌شود.

در المان های <visual> و <collision> تگ <origin> بیانگر وضعیت این المانها نسبت به دستگاه مرجع لینک می‌باشد.

در تگ <geometry> می‌توان شکل هندسی مدل را در هر دو حالت <visual> و <collision> تعیین کرد. برای این کار دو روش موجود است:

1. استفاده از المانهای استاندارد مکعب، استوانه و کره

• <box> : شامل سه ضلع یک مکعب به صورت( size=”1 1 1″ )و مبدأ مختصات در مرکز
• <cylinder> : شامل شعاع و طول استوانه به صورت (radius=”1″ length=”0.5″) و مبدأ مختصات در مرکز با جهت گیری به صورت زیر :
• 
• <sphere> : شامل شعاع به صورت (radius=”1″) و مبدأ مختصات در مرکز

2. ارجاع به یک فایل CAD با استفاده از تگ <mesh>

در این حالت باید فایل CAD مربوط به لینک مورد نظر را با پسوندهای.dae و یا .stl در پوشه محلی پکیج مورد نظر قرار داد و آدرس آن را در این تگ به صورت زیر وارد کرد.

<mesh filename="package://package_name/meshes/link.dae" scale="1 1 1" />

در تگ <color> نیز می‌توانید رنگ دلخواه را برای هر لینک انتخاب کنید.

۲-تگ Joint :

تگ joint مشخص کننده مفاصل ربات است. در این تگ نیز ما می‌توانیم ویژگی‌های سینماتیکی و دینامیکی مفاصل را تعیین کنیم. همچنین می‌توانیم محدوده‌های مجاز برای جابجایی و سرعت مفاصل را مشخص کنیم. تگ joint انواع مختلف مفاصل نظیر دورانی(revolute)، کشویی(prismatic)، پیوسته(continuous )، ثابت(fixed)، شناور(floating ) و صفحه‌ای(planar) را پشتیبانی می‌کند.

ساختار کلی المان‌ها و خواص این تگ به صورت زیر است:

<joint name="my_joint" type="floating">
    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>

    <calibration rising="0.0"/>
    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
 </joint>

یک مفصل در urdf از اتصال بین دو لینک تشکیل می‌شود، به این صورت که لینک اول Parent و لینک دوم Child نامیده می‌شود. در شکل زیر یک مفصل به همراه لینک‌های آن مشاهده می‌شود.

المان‎‌ها و خواص تگ joint

ابتدا اجازه بدهید تا تعریفی از هر کدام از انواع این مفاصل ارائه دهیم.

• دورانی: در این نوع اتصال که به آن لولایی نیز می‌گویند چرخش حول یک محور است و دارای حد بالا و حد پایین است.
• پیوسته: این اتصال همانند اتصال دورانی است با این تفاوت که محدویت دوران ندارد
• کشویی: در این نوع اتصال، حرکت لغزشی در امتداد یک محور و در یک محدوده بالا و پایین انجام می‌شود.
• ثابت: در واقع مفصل نیست زیرا حرکتی ندارد و تمام درجات آزادی در آن قفل است.
• شناور: در این اتصال هر شش درجه آزادی قابلیت حرکت دارد.
• صفحه‌ای: در این اتصال قابلیت حرکت در یک صفحه عمود بر یک محور وجود دارد.

تگ joint دارای ویژگی‌های زیر است:

• name : مشخص کردن نام مفصل
• type : مشخص کردن نوع مفصل

المان‌ها

• Origin

در این تگ، فاصله محل قرارگیری مبدأ لینک  child از مبدأ دستگاه parent که به عنوان مفصل این دو لینک شناخته خواهد شد، تعیین می‌شود. برای درک بیشتر تصویر بالا را نگاه کنید. به صورت پیشفرض اگر این مقدار تنظیم نشود، مبدأ دو لینک روی هم قرار می‌گیرد.

• Parent

در این قسمت نام لینک parent آورده می‌شود.

• Child

در این قسمت نام لینک child آورده می‌شود.

• Axis  (optional)

این تگ برای مشخص کردن محور دوران در مفاصل دورانی، راستای حرکت در مفاصل کشویی و بردار نرمال صفحه در مفاصل صفحه‌ای است، که تعیین می‌کند لینک حول چه محوری دوران یا حرکت کند. مقدار پیشفرض آن (۱,۰,۰) است که به معنی دوران در جهت محور x دستگاه متصل به لینک parent  است. دقت داشته باشید که برای دوران حول محوری غیر از محورهای اصلی باید بردار مربوطه نرمال شده باشد. البته به این نکته نیز توجه داشته باشید که بهتر است محورها را به صورت استاندارد تعریف کنید تا همیشه دوران حول محورهای اصلی باشد.

• Calibration  (optional)

این گزینه آپشنال بوده و ضروری نیست و برای مواردی استفاده می‌شود که نیاز باشد موقعیت مرجع یک مفصل کالیبره شود تا موقعیت مطلق آن بدست آید.

• Dynamics  (optional)

این گزینه هم، آپشنال بوده و توسط آن می‌توان خواص فیزیکی مفصل را مشخص کرد، این داده‌ها برای قسمت شبیه‌سازی مفید است. این خواص شامل damping و friction است.

• Limit

این گزینه تنها برای مفاصل دورانی و کشویی ضروری است و محدودیت های مفاصل در آن تعیین می‌شود و شامل موارد زیر است.

• Lower : حد پایین حرکت مفصل(مقادیر بر حسب رادیان برای مفاصل دورانی و متر برای مفاصل کشویی، درصورتی که مفصل پیوسته باشد این پارامتر نباید مقداردهی شود.)
• Upper : حد بالای حرکت مفصل.
• Effort : این گزینه برای تعیین کردن حداکثر نیرو یا گشتاور مجاز اعمالی به مفصل می‌باشد.
• velocity  : این گزینه برای تعیین کردن حداکثر سرعت مجاز مفصل می‌باشد.
• Mimic  (optional)

از این تگ زمانی استفاده می‌شود که بخواهیم بین دو مفصل قید حرکتی ایجاد کنیم به گونه‌ای که یک مفصل حرکت دیگری را تقلیدکند. برای این کار دو پارامتر multiplier   و offset   برای تعیین حرکت مفصل جدید از طریق رابطه زیر در این تگ قابل تنظیم‌اند.

value = multiplier * other_joint_value + offset.

• safety_controller  (optional)

در این تگ پارامترهای زیر تعیین می‌شوند:

• soft_lower_limit : این پارامتر حد پایین مقداری است که کنترلر برای حفظ ایمنی، با رسیدن مفصل به آن شروع به محدود کردن موقعیت مفصل می‌کند.
• soft_upper_limit : این پارامتر حد بالای حالت بالایی است.
• k_position : این پارامتر بیانگر ارتباط بین محدوده‌های سرعت و موقعیت است.
• k_velocity : این پارامتر بیانگر ارتباط بین محدوده‌های نیرو و سرعت است.

برای درک بهتر می‌توانید نمودارهای زیر را مشاهده کنید.

تگهای transmission و gazebo برای تنظیمات تخصصی تر می‌باشد که در آینده به توضیح آنها خواهیم پرداخت.

تگGazebo  ، transmission