人形机器人动力学控制详解（二）：浅谈机器人模型描述文件

MaXueyan · 发表于 2024-9-8 14:39:05

在动力学控制中，除了上一贴说到的动力学模型，我们也需要知道机器人的结构、外形、运动学特性等，尤其是要将一套运动控制算法部署到一台新机器人上时，如何让算法知道被控对象已经被更换了呢？通常采用机器人模型描述文件对机器人的构型进行描述，通过更换算法中描述文件的方式，替换算法被控对象，事实上动力学模型也可以由该文件导出。
1. 什么是模型描述文件模型描述文件是用于描述机器人结构、外形和运动学特性的文件。它通常以XML格式编写，定义了机器人各个部分（如关节、连杆）的属性及其相互之间的连接关系，其中，URDF（Unified Robot Description Format）是一种标准的机器人模型描述语言，它被广泛用于ROS（Robot Operating System）中的机器人描述，URDF文件可通过MATLAB绘制出机器人的外形与结构。

该文件也存在其他的描述形式，在Mujoco仿真中，就需要不同于URDF格式的XML文件进行机器人结构的描述。
2. 为什么要应用模型描述文件模型描述文件为运动学和动力学分析、仿真和可视化提供了基础数据支持。

运动学和动力学分析：提供机器人运动学链的信息，使得开发者可以基于该信息进行运动学求解、控制策略设计等，以Openloong开源动力学控制软件包为例，其中应用Pinocchio库进行机器人运动学和动力学分析，它依赖于URDF文件来获取机器人的结构信息，从而计算机器人动力学、运动学相关参数，Pinocchio库计算得到的正逆运动学、动力学方程、雅可比矩阵、机身惯性张量在后续核心算法中有广泛应用。
机器人仿真：与仿真引擎结合，模型描述文件允许在虚拟环境中进行机器人的仿真和可视化，使开发者可以验证机器人行为。它允许开发者在仿真环境中观察机器人的行为，测试控制算法，并进行调试。
可视化：通过模型描述文件，开发者可以在可视化工具，如Rviz、MATLAB、Mujoco中查看机器人的结构、坐标、惯量等信息，理解机器人各部分之间的关系。这对于调试和开发机器人的控制算法尤为重要。

3. 模型描述文件详解由2我们知道，模型描述文件在动力学控制中有重要作用，模型描述文件一般包括机器人结构、关节、传感器配置等，下面我们以Openloong开源动力学控制软件包为例，详细介绍模型描述文件的各主要部分，由于Openloong算法验证在Mujoco仿真平台上，就以Mujoco要求的XML文件格式进行介绍。
1. <asset>
为外部资源定义标签，一般用于定义mesh的名称和路径。

<asset>
<mesh name="base_link" file="base_link.STL"/>
<mesh name="Link_head_yaw" file="Link_head_yaw.STL"/>
...
</asset>

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2. <worldbody>
包含了整个仿真环境中的所有物体，包括机器人和场景中的固定物体，它是定义物体和几何形状的主要部分。
以下是一个串联系统的示例，该<worldbody>表明，base_link下并联了两个分支，其中一条分支由body1和body2串联而成，另外一条分支由body3构成，机器人为浮动基座，因此在base_link的body下添加自由关节freejoint 。

<worldbody>
<body name="base_link" pos="x x x">
<freejoint name="float_base" />
<body name="body1" pos="x x x">
<inertial pos="x x x" quat="x x x" mass="x" diaginertia="x x x"/>
<joint name="joint1" pos="0 0 0" axis="1 0 0" limited="true" range="x x"/>
<geom type="mesh" contype="0" conaffinity="0" group="1" density="0" rgba="x x x 1" mesh="body1"/>
<geom type="mesh" rgba="x x x 1" mesh="body1"/>
<body name="body2" pos="x x x">
...
<joint name="joint2" .../>
...
</body>
</body>
<body name="body3" pos="x x x">
...
<joint name="joint3" .../>
...
</body>
</body>
</worldbody>

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其中<inertial>定义一个物体的惯性属性，包括位置、质量和惯性矩阵：pos为惯性参考点相对于物体本地坐标系原点的位置，quat惯性参考点的四元数用于定义其方向和旋转，mass表示物体的质量，diaginertia为物体的对角惯性矩阵，表示物体在三个主要轴上的惯性。
<joint>定义物体之间的关节，用于连接和限制物体的相对运动：name为关节的名称，用于在模型中标识这个关节，pos为节的相对位置（x, y, z），相对于连接的父体，axis为关节的运动轴，表示关节可以围绕这个轴旋转或移动，limited表明是否限制关节的运动范围，range为关节的运动范围，以最小值和最大值表示。
<geom>定义物体的几何形状，用于描述物体的外观和碰撞检测：type定义几何体的类型为网格，表示用自定义网格文件定义形状，contype为碰撞类型，用于定义物体的碰撞分类（影响与其他物体的碰撞行为），conaffinity为碰撞亲和性，用于定义物体与其他物体的碰撞亲和力（影响碰撞的响应），group为碰撞组，用于将物体分组以控制碰撞检测的逻辑，density为几何体的密度（如果定义了density，通常用于计算碰撞体积和质量），rgba为几何体的颜色和透明度（红、绿、蓝、Alpha通道值）。
第二个 <geom> 标签没有碰撞相关属性，主要定义了网格的可视属性：rgba定义了几何体的颜色和透明度，mesh指定使用名为 body1 的网格文件。
3. <contact>
用于定义碰撞相关的参数，exclude表明两个body的碰撞被忽略，一般为了简化机器人的碰撞，机身body之间的碰撞会被忽略。

<contact>
<exclude name="ex_baselink_waist_pitch" body1="base_link" body2="Link_waist_pitch" />
<exclude name="ex_waist_pitch_waist_roll" body1="Link_waist_pitch" body2="Link_waist_roll" />
<exclude name="ex_waist_roll_waist_yaw" body1="Link_waist_roll" body2="Link_waist_yaw" />
...
</contact>

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4. <actuator>
用于定义执行器，以下示例为主动关节设置motor类型的执行器，设置了执行器名称、减速比、限幅等。

<actuator>
<motor name="M_arm_l_01" joint="J_arm_l_01" gear="1" ctrllimited="true" ctrlrange="-80 80"/>
...
</actuator>

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5. <sensor>
用于配置传感器，以下范例配置了四元数framequat、速度计velocimeter、角速度计gyro、加速度计accelerometer、力传感器touch等传感器，安装在body标签中已定义好的site处，可根据需要，添加 touch、force、torque、jointpos、jointvel、actuatorfrc等传感器。

<sensor>
<framequat name="baselink-quat" objtype="site" objname="imu" />
<velocimeter name="baselink-velocity" site="imu" />
<gyro name="baselink-gyro" site="imu" />
<accelerometer name="baselink-baseAcc" site="imu" />
<touch name="lf-touch" site="lf-tc" />
<touch name="rf-touch" site="rf-tc" />
</sensor>

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除自由度配置、执行器配置、传感器配置，其他更具体的参数修改可参考Mojoco官方文档。
4. 如何导出描述文件3中我们详细描述了xml文件的主要部分，实际应用中XML文件可以由Mujoco根据urdf文件导出，本部分分享下xml文件的导出过程。
准备机器人的URDF文件和mesh文件(STL格式)，添加用于mujoco编译的标签：

<mujoco>
<compiler
meshdir="meshes/"
balanceinertia="true"
discardvisual="false" />
</mujoco>

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切换到mujoco-3.x.x/bin目录，运行指令

./simulate

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将urdf文件拖拽进simulate预览界面中，保存xml，注意，mesh文件目录需要对应。
导出后可根据3中的详解和Mujoco官方文档进行适当修改，可参考青龙XML文件。

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