URDF模型验证（Unity篇）

APSchmidt · 发表于 2022-11-14 08:02

一、简介

导出URDF模型后，我们需要验证导出模型的正确性，但以往都是在ROS下的Gazebo上进行验证，这就导致我们需要在Windows和Ubuntu间来回切换，为简化流程，本文将介绍在windows下Unity里的验证方法。
二、Unity验证流程

2.1 Unity&Robotics简介

众所周知，Unity是一个综合型游戏开发引擎，可以创建2D或3D游戏，渲染交互式动画，格式化建筑，也能做VR/AR。随着数字孪生的热门，Unity也着手开发了机器人的版块。

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大家可能会疑惑一个游戏开发引擎，如何能够开发高精度机器人仿真板块，其实，Unity目前集成了Nvidia Physx4的底层物理引擎，同时支持TGS解算器，于2020年更新的Articulation Body更是把机器人物理仿真的稳定性大大提升（...答主在这一波版本更新之后才顺利完成的毕设）；考虑到机器人老牌ROS系统的应用，Unity开发者也做了大量的工作，开发了高效低延时的Unity&ROS通讯系统。总之，目前Unity&Robotics是一个较为完善的机器人仿真系统，也具备良好的开发生态。
2.2 验证流程

首先将模型导入到Unity里，这里会用到Unity的插件URDF Importer, 按照Github上的流程便能顺利安装，如果因网络问题从Git URL下载不下来，可以先下载这个Repo，再手动安装即可。
安装结束后，将导出的模型文件拖到Asset文件下，这里需要注意一下文件的层级关系，推荐以下层级。
-Asset
\quad-URDF
\quad\quad-materials
\quad\quad-meshes
\quad\quad-robot.urdf

按照如上层级安排好后，注意下URDF文件里mesh和material的目录位置，可直接改为../meshes/yourMesh.stl和../materials/yourMat.dae,然后便可顺利导入模型。

导入后，检查模型是否有缺失，若有缺失可查看meshs文件夹的模型，一般mesh模型文件为1kb大小的基本确定导出有错误，可参考我的上一篇文章进行修改。之后检查关节的正确性，导入后模型初始会配有两个组件，基础组件Urdf Robot和默认控制器Controller，这个默认控制器个人觉得不是很好用，后面我会将自用的控制器分享给大家。

下面以四足机器人为例介绍检查关节的流程，第一步先点击Urdf Robot组件的Generate为各个关节生成名字，然后设置baselink的属性，选择四足的驱干link，勾选Is Base Link和Immovable，然后拖动模型悬空，此时模型是可以维持悬空状态，由于没有设置关节属性，所以关节“无力”摆动着。

下一步配置关节属性，上面提到目前Unity里机器人各个link是以Articulation Body的形式存在的，关节驱动叫ArticulationDrive，可能大家很陌生，实际上它就是一个简单的Stiffness&Damping驱动控制，或者叫它PD控制器，驱动力的计算方式如下：
F = stiffness * (currentPosition - target) - damping * (currentVelocity - targetVelocity)

每一个关节ArticulationDrive有如上属性需要设置，比较关键的有关节上下限、PD控制器参数以及力的限制，这些参数可在父节点控制器统一设置，完整控制器代码如下
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using Unity.Robotics.UrdfImporter;

public class JointTest : MonoBehaviour
{
//PD参数设置有两种方式，isJointSame = true各个关节参数一样，为false可自定义关节参数
public bool isJointSame = true;
public float sameStiffness = 0.0f;
public float sameDamping = 0.0f;
public float [] stiffness;
public float [] damping;
//以下的参数均是默认统一设置
public float linearDamping = 0.0f;
public float angularDamping = 0.0f;
public float jointFriction = 0.0f;
public float forceLimit = 100.0f;
public float velocityLimit = 1000.0f;
//可在该组件下设置各关节目标角度并记录当前真实角度
public float [] targetPos;
public float [] currentPos;

private ArticulationBody[] articulationChain;
private ArticulationBody[] joints;

private int numAction = 0;
private int cnt = 0;

void Start()
{
      articulationChain = this.GetComponentsInChildren<ArticulationBody>();
      List<ArticulationBody> jointlist = new List<ArticulationBody>();
      foreach (ArticulationBody joint in articulationChain)
      {
         //fixed类型关节或baselink节点无自由度，不参与关节设置
         if(joint.jointPosition.dofCount>0)
         {
            joint.jointFriction = jointFriction;
            joint.angularDamping = angularDamping;
            joint.linearDamping = linearDamping;
            joint.maxJointVelocity = velocityLimit;

            ArticulationDrive currentDrive = joint.xDrive;
            currentDrive.forceLimit = forceLimit;
            //两种PD参数设置
            if(isJointSame){
                  currentDrive.stiffness = sameStiffness;
                  currentDrive.damping = sameDamping;
            }
            else{
                  currentDrive.stiffness = stiffness[cnt];
                  currentDrive.damping = damping[cnt];
                  cnt++;
            }
            joint.xDrive = currentDrive;
            //监视器观察关节名称，方便Debug
            Debug.Log(joint.name);
            jointlist.Add(joint);
         }
      }
      numAction = jointlist.Count;
      joints = jointlist.ToArray();
}
//每一帧设置目标关节角
void Update()
{
      acquireDofPos();
      for (int i = 0; i < numAction; i++)
      {
         ArticulationDrive currentDrive = joints.xDrive;
         currentDrive.target = targetPos;
         joints.xDrive = currentDrive;
      }
}
//获取真实关节角度
void acquireDofPos()
{
      for (int i = 0; i < joints.Length; i++)
      {
         ArticulationBody joint = joints;
         float rad = joint.jointPosition[0];
         currentPos = rad*Mathf.Rad2Deg;
      }
}
}

将上述控制器组件替换默认控制器组件，根据仿真模型设置关节驱动参数，更改各关节目标角度值，可检查关节运动方向的正确性。若关节旋转轴以及旋转方向错误，可在URDF文件里尝试修改，不行再考虑重新导出。

总结

本文介绍了在Unity里如何检验URDF的正确性，免去因模型问题来回切换系统的烦恼，简化流程，提升工作效率。同时推荐下Unity的机器人仿真，作为一个游戏引擎，它的内容设计与场景搭建是十分便利的，游戏涉及的脚本功能可以囊括机器人仿真需求，底层Physx4物理引擎提供高精度的模拟，Unity&Robotics也是开发人员准备长期维护的一个项目，项目资源的稳定更新也给与Researcher信心，是一个不错的选择。
感谢看到这里，下一篇将介绍在Mujoco里如何检验仿真模型的正确性。

本文使用 Zhihu On VSCode 创作并发布

maltadirk · 发表于 2022-11-14 08:07

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