【ROS学习】Solidworks模型转化为URDF文件格式+三连杆机械臂示例+逆运动学

URDF（Universal Robot Description Format）——通用机器人描述格式，它是ROS里边使用的一种机器人的描述文件，包含的内容有：连杆、关节，运动学和动力学参数、可视化模型、碰撞检测模型等。

到目前为止，本文的主要内容有两个：（1）将solidworks里绘制的三连杆机械臂的三维模型转化为URDF文件，并在rviz中打开；（2）在rviz中测试该模型的逆运动学。

一， 将Solidworks模型转化为URDF文件

下载sw_urdf_exporter插件：

下载ROS提供的solidworks转urdf的插件安装文件（链接）—sw2urdfSetup.exe，安装之后再打开solidworks（如果你的solidworks版本无法加载插件的话，多试几个版本，本人使用的是2014版本）后会在菜单栏上的自定义选项旁边箭头下找到“插件”，并点击，如下图所示：

加载插件：

进入如下界面，选择“SW2URDF”插件并选择，点击确定加载，如下图：

绘制机械臂的简易模型:

本文要研究的是平面三连杆构型的机械臂，一般我们习惯将关节的轴设为Z轴，故在绘制机械臂模型的时候，注意将各个关节的轴的坐标定义准确，如下一步骤和图片所示。

添加坐标系和转轴：

在绘制各个连杆的零件图的时候，添加各自的坐标系和转轴（其实就是下一个连杆的关节轴），点击菜单栏中的“插入”->“参考几何体”->“坐标系”，“基准轴”，5个连杆的坐标系和转轴如下图所示，从左至右连杆的名称分别为：base_link(coordinate0，axis0)，link1(coordinate1,axis1)，link2(coordinate2,axis2)，link3(coordinate3,axis3)，gripper(coordinate_gripper)。

在URDF界面设置坐标系和转轴：

打开要转换的模型的装配体，如下图所示，在工具栏上出现file选项，点击出现Export to URDF，左边会出现URDF Exportor的属性界面：

下面是分别对各个连杆的坐标系和转轴进行设置，使用了前面添加的坐标系和轴，具体来说就是：
link1的坐标系为coordinate1，绕axis0旋转，关节类型：revolute；
link2的坐标系为coordinate2，绕axis1旋转，关节类型：revolute；
link3的坐标系为coordinate3，绕axis2旋转，关节类型：revolute；
gripper的坐标系为coordinate_gripper，绕axis3，它是固定（fixed）关节。
然后点击“preview and export”：

设置关节极限

需要在红框处填写上界和下界，否则在运行的时候会出错，然后点击“finish”，会生成package文件，注意默认生成的名字带有后缀.SLDASM，需要将其改成不带下标点并且全都为小写字母的名称，否则编译会出错。

生成package文件

生成的package文件如下图所示：

可以在urdf文件夹里找到生成的urdf文件。

修正package文件内容

我在测试的时候发现生成的package文件里有些是错误的，直接编译是无法通过的，需要修正的地方有三个：（1）package.xml里的的作者邮箱；（2）将urdf文件夹的名字改为robots；（3）将display.launch里的一个参数改成“True”。

如下所示，默认生成的package.xml里的email是不合法的，只要改成合法的email就可以了。

  </description>
  <author>me</author>
  <maintainer email="me2email.com" /> //改为合法的email
  <license>BSD</license>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>roslaunch</build_depend>

如下所示，display.launch文件里的里的False改为True，否则无法打开Joint State Publish工具。

<launch>
  <arg
    name="model" />
  <arg
    name="gui"
    default="False" />//将False改为True
  <param
    name="robot_description"
    textfile="$(find manipulator34)/robots/manipulator34.urdf" />

ROS下测试

通过roslaunch 命令启动display.launch以后，在rviz的界面中将Global Options下的Fixed Frame 由map改为base_link（自己定义的基座的名字），最终效果如下图所示：

二， 在rviz中进行逆运动学测试

本部分的内容是使用Ｍoveit提供的setup_assistant来配置机械臂的package文件，需要使用到上一部分生成的URDF文件。
使用命令

roslaunch moveit_setup_assistant setup_assistant.launch

打开setup_assistant：

点击Create New Moveit Configuration Package 导入URDF文件（在上一部分已经生成的文件中找到URDF文件）

设置Self-Collision，点击Generate Default Collsion Matrix :

设置Virtual Joints，Parent Frame Name应设为world_frame：

Planning Groups设置名称，选择运动学求解器，然后点击Add Kin. Chain：

把base_link设置为Base Link，把gripper设置为Tip Link：

设置一个Robot Pose：

End Effectors 和Passive Joints 没有设置，暂时不知道这两项有什么用。
作者信息的邮箱的格式一定要准确：

然后生成配置文件，选择目录和package的名称。

运行package 的demo.launch，在rviz中点击机械臂末端的小球和箭头，随着末端位置的变化，机械臂的构型会逐渐变化，这就是求解逆运动学的过程。

还可以给定一个起始位置和终点位置，使用OMPL提供的规划器进行运动规划：

暂时还不知道如何在rviz中添加障碍物，以后慢慢琢磨。