26、ROS机器人编程：OpenManipulator Chain的建模与可视化

于 2025-07-23 15:07:33 发布
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分类专栏： ROS机器人编程：从基础到实战 文章标签： ROS OpenManipulator Chain URDF建模
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ROS机器人编程：OpenManipulator Chain的建模与可视化

1. OpenManipulator Chain简介

OpenManipulator Chain是一种具有基本形式的机械臂，其末端执行器是由3D打印框架制成的线性夹爪。它的设计文件可在Onshape上获取，源代码可从ROBOTIS GitHub下载。该源代码支持ROS、Arduino和Processing，以及Gazebo和MoveIt! 软件包。此外，OpenManipulator Chain与TurtleBot3 Waffle和Waffle Pi机械兼容，具有扩展功能以弥补自由度不足的潜力。

在使用相关工具前，需要安装以下ROS软件包： 

sudo apt-get install ros-kinetic-ros-controllers ros-kinetic-gazebo* ros-kinetic-moveit* ros-kinetic-dynamixel-sdk ros-kinetic-dynamixel-workbench-toolbox ros-kinetic-robotis-math ros-kinetic-industrial-core
2. 简单机械臂的URDF建模

在查看OpenManipulator Chain的URDF之前，先创建一个由三个关节和四个连杆组成的简单机械臂的URDF。操作步骤如下：
1. 创建 testbot_description 软件包并创建 urdf 文件夹： 

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg testbot_description urdf
cd testbot_description
mkdir urdf
cd urdf
  1. 使用编辑器创建 testbot.urdf 文件并输入以下内容： 
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="testbot">
  <material name="black">
    <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>
  <material name="orange">
    <color rgba="1.0 0.4 0.0 1.0"/>
  </material>
  <link name="base"/>
  <joint name="fixed" type="fixed">
    <parent link="base"/>
    <child link="link1"/>
  </joint>
  <link name="link1">
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
    </collision>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="1"/>
      <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>
  <joint name="joint1" type="revolute">
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>
    <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit effort="30" lower="-2.617" upper="2.617" velocity="1.571"/>
  </joint>
  <link name="link2">
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
    </collision>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
      <material name="orange"/>
    </visual>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="1"/>
      <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>
  <joint name="joint2" type="revolute">
    <parent link="link2"/>
    <child link="link3"/>
    <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
    <limit effort="30" lower="-2.617" upper="2.617" velocity="1.571"/>
  </joint>
  <link name="link3">
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 1"/>
      </geometry>
    </collision>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 1"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="1"/>
      <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>
  <joint name="joint3" type="revolute">
    <parent link="link3"/>
    <child link="link4"/>
    <origin xyz="0 0 1.0" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
    <limit effort="30" lower="-2.617" upper="2.617" velocity="1.571"/>
  </joint>
  <link name="link4">
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
    </collision>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
      <material name="orange"/>
    </visual>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="1"/>
      <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
    </inertial>
  </link>
</robot>
3. URDF标签解析
  • <material> 标签 ：用于描述连杆的颜色和纹理信息。例如： 
<material name="black">
  <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
</material>
<material name="orange">
  <color rgba="1.0 0.4 0.0 1.0"/>
</material>
  • <link> 标签 ：描述连杆的名称、大小、重量和惯性等信息，包含 <collision> 、 <visual> 和 <inertial> 子标签。
    • <collision> ：设置连杆的碰撞计算信息。
    • <visual> ：设置连杆的可视化信息。
    • <inertial> ：设置连杆的惯性信息。 
<link name="link1">
  <collision>
    <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.1 0.1 0.5"/>
    </geometry>
  </collision>
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <box size="0.1 0.1 0.5"/>
    </geometry>
    <material name="black"/>
  </visual>
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
    <mass value="1"/>
    <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
  </inertial>
</link>
  • <joint> 标签 ：描述关节的名称、类型以及连接的连杆，还可以设置关节的运动限制。 
<joint name="joint2" type="revolute">
  <parent link="link2"/>
  <child link="link3"/>
  <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 1 0"/>
  <limit effort="30" lower="-2.617" upper="2.617" velocity="1.571"/>
</joint>
4. 模型检查与可视化
  • 检查URDF语法错误和连接关系 ： 
check_urdf testbot.urdf

如果文件语法和逻辑正确，将输出连杆的连接关系。
- 生成模型的图形表示 ： 

urdf_to_graphiz testbot.urdf

运行该命令后会生成 *.gv 文件和 *.pdf 文件，通过PDF查看器可以查看连杆和关节的关系。
- 使用RViz可视化模型 ：
1. 创建 testbot.launch 文件： 

cd ~/catkin_ws/src/testbot_description
mkdir launch
cd launch
gedit testbot.launch

2. 在`testbot.launch`文件中输入以下内容：

<launch>
  <arg name="model" default="$(find testbot_description)/urdf/testbot.urdf" />
  <arg name="gui" default="True" />
  <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />
  <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
  <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
  <node pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

3. 运行`testbot.launch`和RViz：

roslaunch testbot_description testbot.launch
rviz

在RViz中，选择 base 作为固定框架，添加 RobotModel 和 TF 显示，调整机器人模型的 Alpha 值约为0.3，即可查看连杆的形状和关节的关系。通过调整 joint_state_publisher 节点的GUI滑块，可以控制RViz中的虚拟机器人。

5. OpenManipulator Chain的URDF建模
  • 下载源代码 ： 
cd ~/catkin_ws/src
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/open_manipulator.git
cd ~/catkin_ws && catkin_make
cd ~/catkin_ws/src/
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3.git
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_msgs.git
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git
cd ~/catkin_ws && catkin_make
  • 查看OpenManipulator文件夹结构 ： 
cd ~/catkin_ws/src/open_manipulator
ls

主要文件夹包括：
| 文件夹名称 | 说明 |
| ---- | ---- |
| Arduino | Arduino库 |
| open_manipulator | 元软件包 |
| open_manipulator_description | 建模软件包 |
| open_manipulator_dynamixel_ctrl | Dynamixel控制软件包 |
| open_manipulator_gazebo | Gazebo软件包 |
| open_manipulator_moveit | MoveIt!软件包 |
| open_manipulator_msgs | 消息软件包 |
| open_manipulator_position_ctrl | 位置控制软件包 |
| open_manipulator_with_tb3 | OpenManipulator和TurtleBot3软件包 |

  • 查看建模软件包的配置 ： 
roscd open_manipulator_description/urdf
ls
roscd open_manipulator_description/launch
ls
  • 查看材料信息文件 materials.xacro ： 
roscd open_manipulator_description/urdf
gedit materials.xacro

该文件定义了未来机械臂可视化所需的颜色。
- 查看OpenManipulator Chain的URDF文件 open_manipulator_chain.xacro ： 

roscd open_manipulator_description/urdf
gedit open_manipulator_chain.xacro

使用xacro可以减少URDF文件的重复代码，提高代码管理效率。
- <transmission> 标签 ：用于与ROS-Control交互，建立关节和执行器之间的关系。 

<transmission name="tran1">
  <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  <joint name="joint1">
    <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
  </joint>
  <actuator name="motor1">
    <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
    <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
  </actuator>
</transmission>
  • 可视化OpenManipulator Chain的URDF文件 ： 
roslaunch open_manipulator_description open_manipulator_chain_rviz.launch

通过以上步骤，我们可以完成简单机械臂和OpenManipulator Chain的URDF建模和可视化，为后续的机器人开发和控制奠定基础。

ROS机器人编程：OpenManipulator Chain的建模与可视化（续）

6. 深入理解OpenManipulator Chain URDF文件

OpenManipulator Chain的URDF文件使用了xacro来简化代码，提高可维护性。我们已经了解了其基本结构和一些关键标签，下面进一步剖析其细节。

6.1 xacro的使用优势

xacro允许我们定义变量和宏，避免代码的重复编写。例如，在 open_manipulator_chain.xacro 中，我们可以定义圆周率变量： 

<xacro:property name="pi" value="3.141592654" />

还可以通过 xacro:include 指令引入其他文件，如材料信息文件和Gazebo配置文件： 

<xacro:include filename="$(find open_manipulator_description)/urdf/open_manipulator_chain.gazebo.xacro" />
<xacro:include filename="$(find open_manipulator_description)/urdf/materials.xacro" />

这样可以将不同功能的代码分开管理，使代码更加清晰和易于维护。

6.2 <transmission> 标签详解

<transmission> 标签是与ROS - Control交互的关键。它定义了关节和执行器之间的关系，允许我们选择不同的控制输入（如力、速度、位置）。 

<transmission name="tran1">
  <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  <joint name="joint1">
    <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
  </joint>
  <actuator name="motor1">
    <hardwareInterface>PositionJointInterface</hardwareInterface>
    <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
  </actuator>
</transmission>
  • <type> ：指定传动方法的类型，这里使用 transmission_interface/SimpleTransmission 。
  • <joint> ：配置关节信息，指定关节名称和硬件接口类型。
  • <actuator> ：设置执行器信息，包括硬件接口类型和机械减速比。
6.3 OpenManipulator Chain的结构

OpenManipulator Chain由四个关节（电机）和五个连杆组成，线性夹爪由两个连杆和一个关节（电机）组成。除了线性夹爪的关节类型为棱柱关节（prismatic）外，其他关节和连杆的描述与之前的示例类似。

7. 可视化与调试流程总结

为了更清晰地展示整个可视化和调试的流程，我们可以用mermaid流程图来表示： 

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始]):::startend --> B(安装ROS软件包):::process
    B --> C(创建简单机械臂URDF):::process
    C --> D(检查URDF语法和连接关系):::process
    D --> E{是否正确}:::decision
    E -- 是 --> F(生成模型图形表示):::process
    E -- 否 --> C
    F --> G(创建launch文件):::process
    G --> H(运行launch文件和RViz):::process
    H --> I(可视化和调试):::process
    I --> J(下载OpenManipulator Chain源代码):::process
    J --> K(查看文件夹结构和配置):::process
    K --> L(查看材料和URDF文件):::process
    L --> M(可视化OpenManipulator Chain URDF):::process
    M --> N([结束]):::startend

具体步骤如下：
1. 安装ROS软件包 ：确保所需的ROS软件包已安装。 

sudo apt-get install ros-kinetic-ros-controllers ros-kinetic-gazebo* ros-kinetic-moveit* ros-kinetic-dynamixel-sdk ros-kinetic-dynamixel-workbench-toolbox ros-kinetic-robotis-math ros-kinetic-industrial-core
  1. 创建简单机械臂URDF ：按照前面的步骤创建 testbot.urdf 文件。
  2. 检查URDF语法和连接关系 ： 
check_urdf testbot.urdf
  1. 生成模型图形表示 ： 
urdf_to_graphiz testbot.urdf
  1. 创建launch文件 ：创建 testbot.launch 文件并配置相关参数。
  2. 运行launch文件和RViz ： 
roslaunch testbot_description testbot.launch
rviz
  1. 可视化和调试 ：在RViz中进行可视化和调试。
  2. 下载OpenManipulator Chain源代码 ： 
cd ~/catkin_ws/src
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/open_manipulator.git
cd ~/catkin_ws && catkin_make
cd ~/catkin_ws/src/
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3.git
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_msgs.git
git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git
cd ~/catkin_ws && catkin_make
  1. 查看文件夹结构和配置 ：查看相关文件夹和文件的配置。 
cd ~/catkin_ws/src/open_manipulator
ls
roscd open_manipulator_description/urdf
ls
roscd open_manipulator_description/launch
ls
  1. 查看材料和URDF文件 ：查看 materials.xacro 和 open_manipulator_chain.xacro 文件。 
roscd open_manipulator_description/urdf
gedit materials.xacro
roscd open_manipulator_description/urdf
gedit open_manipulator_chain.xacro
  1. 可视化OpenManipulator Chain URDF ： 
roslaunch open_manipulator_description open_manipulator_chain_rviz.launch
8. 注意事项和常见问题

在进行URDF建模和可视化的过程中，可能会遇到一些问题，以下是一些注意事项和常见问题的解决方法：

问题 解决方法
URDF语法错误 使用 check_urdf 命令检查语法错误，仔细检查标签的拼写和格式。
模型在RViz中显示异常 检查 launch 文件的配置，确保 robot_description 参数正确指向URDF文件。
无法找到相关软件包 确保所需的ROS软件包已正确安装，使用 rosdep install 命令安装依赖项。
可视化效果不佳 调整RViz中的显示参数，如透明度、颜色等。
9. 总结与展望

通过本文，我们详细介绍了如何使用URDF对简单机械臂和OpenManipulator Chain进行建模和可视化。从创建基本的URDF文件到使用xacro简化代码，再到使用RViz进行可视化和调试，我们逐步深入了解了整个过程。

在后续的开发中，我们可以基于这些模型进行更复杂的机器人控制和规划任务，如运动规划、路径规划等。同时，我们还可以结合其他ROS工具和库，进一步扩展机器人的功能。

希望本文能帮助你更好地理解和掌握ROS机器人编程中的URDF建模和可视化技术，为你的机器人开发之旅提供有力的支持。

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PINN驱动的三维声波波动方程求解（Matlab代码实现）
12-04
内容概要：本文介绍了基于物理信息神经网络（PINN）驱动的三维声波波动方程求解方法，并提供了相应的Matlab代码实现。该方法将深度学习与物理建模相结合，利用PINN在无需大量标注数据的情况下，通过引入偏微分方程作为物理约束，直接从初始和边界条件出发求解三维声波传播问题，适用于复杂介质中的波动模拟与反演分析。; 适合PINN驱动的三维声波波动方程求解（Matlab代码实现）人群：具备一定数学基础和Matlab编程能力，从事物理仿真、声学、地球物理、计算力学等领域的研究生、科研人员及工程技术人员。; 使用场景及目标：①解决传统数值方法（如有限差分、有限元）在高维或复杂边界条件下计算成本高的问题；②探索数据驱动与物理驱动融合的建模范式，提升模型泛化能力和求解效率；③应用于地震波传播模拟、医学超声成像、噪声控制等实际科研与工程场景。; 阅读建议：建议读者结合文中提供的Matlab代码，理解PINN的网络结构设计、损失函数构建及物理约束嵌入方式，动手调试参数并扩展到其他偏微分方程求解任务中，以深入掌握其原理与应用技巧。
MATLAB基于3D FDTD的微带线馈矩形天线分析[用于模拟超宽带脉冲通过线馈矩形天线的传播，以计算微带结构的回波损耗参数]
最新发布
12-04
内容概要：本文档介绍了基于3D FDTD（时域有限差分）方法在MATLAB平台上对微带线馈电的矩形天线进行仿真分析的技术方案，重点在于模拟超MATLAB基于3D FDTD的微带线馈矩形天线分析[用于模拟超宽带脉冲通过线馈矩形天线的传播，以计算微带结构的回波损耗参数]宽带脉冲信号通过天线结构的传播过程，并计算微带结构的回波损耗参数（S11），以评估天线的匹配性能和辐射特性。该方法通过建立三维电磁场模型，精确求解麦克斯韦方程组，适用于高频电磁仿真，能够有效分析天线在宽频带内的响应特性。文档还提及该资源属于一个涵盖多个科研方向的综合性MATLAB仿真资源包，涉及通信、信号处理、电力系统、机器学习等多个领域。; 适合人群：具备电磁场与微波技术基础知识，熟悉MATLAB编程及数值仿真的高校研究生、科研人员及通信工程领域技术人员。; 使用场景及目标：① 掌握3D FDTD方法在天线仿真中的具体实现流程；② 分析微带天线的回波损耗特性，优化天线设计参数以提升宽带匹配性能；③ 学习复杂电磁问题的数值建模与仿真技巧，拓展在射频与无线通信领域的研究能力。; 阅读建议：建议读者结合电磁理论基础，仔细理解FDTD算法的离散化过程和边界条件设置，运行并调试提供的MATLAB代码，通过调整天线几何尺寸和材料参数观察回波损耗曲线的变化，从而深入掌握仿真原理与工程应用方法。
定义小区覆盖面积和链路预算计算，基于两个参数——遮挡和路径损耗——进行比较分析。.zip
12-04
1.版本：matlab2014a/2019b/2024b 2.附赠案例数据可直接运行。 3.代码特点：参数化编程、参数可方便更改、代码编程思路清晰、注释明细。 4.适用对象：计算机，电子信息工程、数学等专业的大学生课程设计、期末大作业和毕业设计。
（55页PPT）智慧农业行业解决方案.pptx
12-04
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（52页PPT）DG汽车设计制造一体化整车产品生命PLM解决方案.pptx
12-04
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