実習ROS 2 URDFを記述する2

環境

本記事は以下の環境を想定して記述している。

項目	値
OS	Ubuntu 22.04
ROS	ROS 2 Humble

概要

実習ROS 2 URDFを記述する1では、URDFの概要と基本的な記述方法を説明した。このページではURDFの書き方をより詳しく説明する。
このページは、ROS 2公式チュートリアルを参考に、ROS講座14 URDFを記述する2の内容をROS 2対応させたものである。

前準備

前提条件

このチュートリアルは、実習ROS 2 Pub＆Sub通信を実行していることを前提に、Pub＆Sub通信のチュートリアルで作成したワークスペースros2_lecture_wsを利用する。
また、実習ROS 2 URDFを記述する1の実施を前提とする。

ROS 2パッケージの作成

パッケージurdf2を作成する。

cd ~/ros2_lecture_ws/src
ros2 pkg create urdf2 --build-type ament_cmake --dependencies urdf_launch

形状・色の記述

ディレクトリurdf内に、simple_urdf2.urdfを作成する。

<robot name="test_robot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.3 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red">
        <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <!--body1_linkという名前で球を作成-->
  <link name="body1_link">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.2"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="green">
        <color rgba="0.0 1.0 0.0 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="body1_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child  link="body1_link"/>
    <origin xyz="0.5 0 0.2" rpy="0 0 0"/>
  </joint>

  <!--body2_linkという名前で円柱を作成-->
  <link name="body2_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.3" radius="0.1"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="blue">
        <color rgba="0.0 0.0 1.0 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="body2_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child  link="body2_link"/>
    <origin xyz="-0.5 0 0.15" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
</robot>

simple_urdf2.urdf

このURDFには、3つのリンクが存在する。親リンクは
base_linkで、body1_link、body2_linkはそれぞれbase_linkの子リンクである。このように、リンクは複数の子リンクを持つことができる。

URDFの可視化は、実習ROS 2 URDFを記述する1のパッケージのビルドとRVizでURDFの可視化と同様の手順で行う。上記リンク先の手順を、パッケージ名を"urdf2"に読み替えて実行する。
RVizを起動すると、赤色の直方体、緑色の球と青色の円柱が表示される。

形状の指定

直方体を指定するboxの他に、以下の箇所で球sphere、円柱cylinderを指定して、球や円柱の形状を設定している。

• 球
  形状はsphereとして、半径0.2[m]を設定

  <geometry>
    <sphere radius="0.2"/>
  </geometry>
  

• 円柱
  形状はcylinderとして、長さ0.3[m]、半径0.1[m]を設定

  <geometry>
    <cylinder length="0.3" radius="0.1"/>
  </geometry>
  

色の指定

simple_urdf1.urdfと同様に、以下の箇所でrgbaで色を指定している。

• 緑
  rgbaに"0.0, 1.0, 0.0, 1.0"を設定

  <material name="green">
    <color rgba="0.0 1.0 0.0 1.0"/>
  </material>
  

• 青
  rgbaに"0.0, 0.0, 1.0, 1.0"を設定

  <material name="blue">
    <color rgba="0.0 0.0 1.0 1.0"/>
  </material>
  

色の定義

simple_urdf1.urdfやsimple_urdf2.urdfでは、リンクごとにrgbaを使って色を指定した。同じ色のリンクが複数ある場合には、色を定義するとより簡単にURDFを作成できる。
同じ色を持つ直方体を2つ並べたURDFsimple_urdf3.urdfを例に、色の定義方法を説明する。

<robot name="test_robot">
  <!--"red"という名前でマテリアルを定義-->
  <material name="red">
    <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.3 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <!--"red"を使用して色を指定-->
      <material name="red"/>
      </visual>
  </link>
  
  <link name="body_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.3 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <!--"red"を使用して色を指定-->
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="body_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child  link="body_link"/>
    <origin xyz="0.5 0 0" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
</robot>

simple_urdf3.urdf

simple_urdf3.urdfは、2つの直方体base_link、body_linkを持つURDFである。simple_urdf3.urdfをRVizで表示すると、以下のように赤の直方体が並んで表示される。

色の定義と利用

以下の箇所で色の名前とrgbaを定義している。<link>タグや<joint>タグの内側で色を定義することで、全てのリンクで定義を利用できる。<robot>タグより外側では色を定義できない。

<!--"red"という名前でマテリアルを定義-->
<material name="red">
  <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
</material>

定義した色は以下のように利用できる。

<!--"red"を使用して色を指定-->
<material name="red"/>

メッシュの利用

URDFでは、3Dのメッシュデータを利用した見た目の設定が可能である。
simple_urdf3.urdfの直方体の一方をメッシュデータへ置き換えたURDFsimple_urdf4.urdfを作成する。

<robot name="test_robot">
  <material name="red">
    <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <!-- メッシュでstlファイルを指定 -->
        <mesh filename="package://turtlebot3_description/meshes/bases/burger_base.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red"/>
      </visual>
  </link>
  
  <link name="body_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.3 0.3 0.2"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="body_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child  link="body_link"/>
    <origin xyz="0.5 0 0" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
</robot>

simple_urdf4.urdf

simple_urdf4.urdfをRvizで表示すると、以下のように表示される。

meshタグ

<geometory>タグの中で<mesh>タグを使用することで、メッシュデータを設定する。ここでは、turtlebot3_descriptionパッケージの、Turtlebot3のメッシュを指定した。

使用できるメッシュデータの形式に制限は無いが、モデルを表示するアプリケーションによって対応状況が異なる。RViz2で表示する場合、STL形式(拡張子".stl")や、COLLADA形式(拡張子".dae")のファイルが使用できる。

scaleでは、3Dモデルのx, y, zの各軸の表示倍率を設定する。
ROS 2では距離の単位にはメートルを使用する。一方で、3Dモデルはミリメートル単位でデータが作成されることが多い。scaleで表示する大きさの倍率を指定し、単位系を揃える処理を行う。

駆動するジョイントの利用

ここまでで作成したURDFはジョイントに固定ジョイントfixedを利用していた。一方実際のロボットでは、アームやホイールなどの駆動部を持つものが一般的である。
ここからは回転や直動する可動ジョイントを使用して、駆動が可能なURDFsimple_urdf5.urdfを作成する。

<robot name="test_robot">
  <material name="red">
    <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>

  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.5"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>
  
  <link name="body1_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.4"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0.2" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>

  <!--回転ジョイント"revolute"を作成-->
  <joint name="body1_joint" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child  link="body1_link"/>
    <origin xyz="0.1 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
    <limit lower="-1.5" upper="1.5" effort="0" velocity="0"/>
    <axis xyz="1 0 0"/>
  </joint>

  <link name="body2_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.1 0.1 0.4"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0.2" rpy="0 0 0"/>
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>
  
  <!--直動ジョイント"prismatic"を作成-->
  <joint name="body2_joint" type="prismatic">
    <parent link="body1_link"/>
    <child  link="body2_link"/>
    <origin xyz="0.1 0 0.4" rpy="0 0 0"/>
    <limit lower="-0.4" upper="0" effort="0" velocity="0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>
</robot>

simple_urdf5.urdf

simple_urdf5.urdfは、3つの直方体base_link、body1_link、body2_linkを持つ。それぞれのリンクをつなぐジョイントには、回転ジョイント、直動ジョイントを設定している。simple_urdf5.urdfをRvizで表示すると、以下のように表示される。

画像に示すように、別ウィンドウにJoint State Publisherが表示される。このウィンドウ上でスライダーを操作すると、対応する可動ジョイントを動かすことができる。

回転ジョイント

回転ジョイントは以下のように、typeを"revolute"にすると利用できる。また"fixed"と比べると、動作範囲を設定する<limit>タグと、動作方向を設定する<axis>タグが追加されている。

<!--回転ジョイント"revolute"を作成-->
<joint name="body1_joint" type="revolute">
  <parent link="base_link"/>
  <child  link="body1_link"/>
  <origin xyz="0.1 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
  <limit lower="-1.5" upper="1.5" effort="0" velocity="0"/>
  <axis xyz="1 0 0"/>
</joint>

直動ジョイント

直動ジョイントは以下のように、typeを"prismatic"にすると利用できる。回転ジョイントと同様に、<limit>タグと<axis>タグが追加されている。

<!--直動ジョイント"prismatic"を作成-->
<joint name="body2_joint" type="prismatic">
  <parent link="body1_link"/>
  <child  link="body2_link"/>
  <origin xyz="0.1 0 0.4" rpy="0 0 0"/>
  <limit lower="-0.4" upper="0" effort="0" velocity="0"/>
  <axis xyz="0 0 1"/>
</joint>

limitタグ

<limit>タグの項目は、"lower"、"upper"、"effort"、"velocity"の4つのパラメータを取る。これらの設定値はRVizによるURDFの表示やGazeboなどによるシミュレーションに使用される。

• lower・upper
  • 可動範囲の最小値と最大値
  • 値の意味はジョイントによって異なる
    • 回転ジョイント：回転角[rad]
    • 直動ジョイント：移動距離[m]
• effort
  • ジョイントが発揮できるトルクや力の最大値
  • 値の意味はジョイントによって異なる
    • 回転ジョイント：トルクの最大値[Nm]
    • 直動ジョイント：力の最大値[N]
• velocity
  • ジョイントの動く速さの最大値
  • 値の意味はジョイントによって異なる
    • 回転ジョイント：角速度[rad/s]
    • 直動ジョイント：速度[m/s]

axisタグ

<axis>タグは"xyz"のパラメータをとり、ジョイントの可動方向を設定する。
ジョイントの座標系を基準に、回転ジョイントは設定した軸回りに回転し、直動ジョイントは設定した軸方向に移動する。

その他のジョイント

今回は固定ジョイント、回転ジョイント、直動ジョイントなどを使用した。URDFではそれ以外にも色々な種類のジョイントが利用できる。また<limit>や<axis>以外にも、ジョイントの設定に複数のタグが利用できる。ジョイントの種類や設定に用いるタグは、ROS公式のジョイント解説ページに詳しく書かれている。

参考

• ROS講座14 URDFを記述する2
• ROS 2公式チュートリアル：Building a visual robot model from scratch