Desde Fusion 360 a URDF: Construye y Simula tu Robot

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Ruta de trabajo para utilizar archivos URDF

¿Qué es URDF?

El formato unificado de descripción de robótica (URDF) es un tipo de archivo XML que incluye la descripción física de un robot. Es básicamente un modelo 3D con información sobre articulaciones, motores, masa, etc. Estos archivos se ejecutan a través del Sistema Operativo de Robots (ROS). Los datos del archivo informan al operador humano sobre el aspecto y las capacidades del robot antes de que comiencen a operarlo.

Estos archivos también se utilizan en simuladores para probar el comportamiento del robot antes de su despliegue en el mundo real, o en la creación de un gemelo digital para la visualización en tiempo real y bidireccional del estado de un dispositivo robótico.

Nota

Muchos fabricantes de robots tienen modelos URDF de sus dispositivos disponibles para descargar. Pero si no es el caso, se tendrá que crear desde cero. La solución más práctica es generarlo a partir de un dibujo CAD 3D, dado que permite crear formas y relaciones mecánicas complejas, manteniendo una relación eslabón-articulación completamente referenciada y necesaria en el archivo URDF.

Configuración básica

La relación entre elementos se aprecia de forma intuitiva en la Figura 1. Un ejemplo de código básico y su representación gráfica se aprecian en la Figura 2.

Detalle de un eslabón

Relación eslabón-articulación

Relación entre eslabones

Figura 1: Representación de links, joints y sus orígenes utilizados en URDF

 1 <robot name="test_robot">
 2   <link name="link1" />
 3   <link name="link2" />
 4   <link name="link3" />
 5   <link name="link4" />
 6 
 7   <joint name="joint1" type="continuous">
 8     <parent link="link1"/>
 9     <child link="link2"/>
10     <origin xyz="5 3 0" rpy="0 0 0" />
11     <axis xyz="-0.9 0.15 0" />
12   </joint>
13 
14   <joint name="joint2" type="continuous">
15     <parent link="link1"/>
16     <child link="link3"/>
17     <origin xyz="-2 5 0" rpy="0 0 1.57" />
18     <axis xyz="-0.707 0.707 0" />
19   </joint>
20 
21   <joint name="joint3" type="continuous">
22     <parent link="link3"/>
23     <child link="link4"/>
24     <origin xyz="5 0 0" rpy="0 0 -1.57" />
25     <axis xyz="0.707 -0.707 0" />
26   </joint>
27 </robot>

Visualización con Graphviz

Figura 2: Formato URDF y su representación gráfica de los elementos del robot

Nota

Para una descripción más detallada sobre el formato URDF y su configuración, se recomienda visitar la documentación URDF en ROS o algunas notas.

Aplicaciones

En Omniverse

En Rviz

Figura 3: Ejemplos de robots importados como URDF

Creando tu robot

Consideraciones CAD

Ya sea que dibujes desde cero o que reutilices archivos, deberás adaptar el modelado de tu dibujo teniendo en cuenta los requisitos solicitados en el paso de conversión o generación de nuestro archivo URDF (que dependerá del código del autor del script). Además, según el diseño CAD (por ejemplo, como “top-down” y “bottom-up”) esto será más o menos difícil en algunos casos dependiendo del proceso de modelado según el programa utilizado. En este caso, con ayuda de Fusion 360 con un diseño top-down, es necesario que los elementos de nuestro robot (eslabones y articulaciones o “links” y “joints” como se referirá a partir de ahora respectivamente) se conserve la siguiente distribución:

digraph G {
  fontname="Helvetica,Arial,sans-serif"
    node [fontname="Helvetica,sans-serif"]
    edge [fontname="Cambria,sans-serif"]

    subgraph cluster_0 {
        style=filled;
        color="#03AED2";
        node [style=filled,color="#FEEFAD"];
        label = "CAD";

        "Raiz" -> "Componente 1"
        "Raiz" -> "Componente 2"
        
        "Componente 1" -> "Cuerpo 1"
        "Componente 1" -> "Cuerpo 2"
        "Componente 1" -> "Cuerpo 3"

        "Componente 2" -> "Cuerpo 4"
        "Componente 2" -> "Cuerpo 5"
        "Componente 2" -> "Cuerpo 6"
    }

    subgraph cluster_1 {
        style=filled;
        node [style=filled, color="#F3B95F"]; "Body 4, 5, 6"; "Body 1, 2 y 3"
        label = "URDF";
        color="#FEFFD2";
        node [shape=box,style=filled,color="#FF7D29"]; "Link 1";
        node [shape=diamond,style=filled,color="#FFBF78"]; "Link 2";

        "Link 2" -> "Body 4, 5, 6"

        "Link 1" -> "Link 2" [label="Joint 1"]

        "Link 1" -> "Body 1, 2 y 3"
    }

}

Figura 4: Relación entre los elementos entre los archivos CAD y URDF

La Figura 4 ejemplifica que es necesario que en Fusion 360, las partes principales del robot se definan como componentes, creados a partir de subpartes (cuerpos). Manteniendo esta relación en todo momento, se garantiza y facilita la definición de links y joints de forma correcta.

En esta oportunidad, se utilizó como ejemplo el robot colaborativo UR5 de Universal Robots a lo largo de todo el post. Así, en la Figura 5 se aprecia la jerarquía de los componentes y cuerpos creados durante el dibujo. Por ejemplo, el segundo eslabón se compone de 9 subpartes (de tipo “body” en Fusion 360), evitando la anidación de componentes en todo momento.

Figura 5: Ruta de trabajo para utilizar archivos URDF

Exportando un archivo URDF

Luego de realizar nuestro dibujo CAD, se recomienda utilizar un plugin para generar de forma automática y bajo la mesa, todo el código necesario para la descripción gráfica de nuestro robot. Esto nos permite centrarnos principalmente en lo importante durante el modelado. Sin embargo, dado que cada plugin disponible depende del software utilizado, como Solidworks, FreeCAD o Fusion360.

Para ello, se utilizó el plugin dheena2k2/fusion2urdf-ros2 para generar archivos URDF orientado a ROS2, el mismo que se basó en otro plugin de syuntoku14/fusion2urdf orientado a ROS1.

Consideraciones CAD

Para generar correctamente el archivo URDF, se requiere: - Los eslabones del robot deben definirse como componentes. - El componente base debe renombrarse como base_link.
- Cada componente debe contener únicamente cuerpos simples. No utilizar componentes anidados.
- Cuando se definen las relaciones de articulación (joint): 1. Se selecciona primero el eslabón hijo (child link) como Componente 1. 2. Luego, el eslabón padre (parent link) como Componente 2. 3. Verificar que el movimiento del grado de libertad (por ejemplo, de rotación o traslación) siga el eje de rotación +Z.

Modificando nuestro archivo

1. Dentro del conjunto de la carpeta exportada, centrarse en las carpetas \urdf y \meshes que contienen el archivo URDF y los archivos de modelo 3D.
2. Cambiar la extensión del archivo URDF de .xacro por .urdf.
3. Verificar que el nombre de los archivos mesh (formato STL) referenciados dentro del archivo URDF coincidan con sus archivos en la carpeta \meshes. Si no, corregir.
4. Corregir todos los enlaces de referencia en los entornos <geometry> del archivo URDF:
   1. Del siguiente código:
      

   <geometry>
    <mesh filename="file://$(find UR5_description)/meshes/base_link.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
   </geometry>

   2. Reemplazar así:

   <geometry>
     <mesh filename="package://meshes/base_link.stl" scale="0.001 0.001 0.001"/>
   </geometry>

Tip

Para verificar si nuestro archivo URDF se creó correctamente antes de importarlo a algún simulador, podemos utilizar un visualizador como RViz en Ubuntu. Sin embargo, para los usuarios de Windows, la aplicación urdf-loaders de gkjohnson nos permite visualizar y manipular de forma intuitiva el resultado de nuestro robot en línea. Incluso, viene un ejemplo de un robot hexápodo ATHLETE. Para nuestro

Importando a tu simulador

Finalmente, dependiendo del simulador a utilizar, se requerirán ciertos parámetros o configuraciones para importar correctamente el robot en formato URDF. En cualquier caso, se debe verificar siempre la relación entre links y joints y cómo reaccionan al movimiento de los joints.

Para CoppeliaSim

1. Dirigirse a la opción de importación según Modules -> Importers -> URDF importer.
2. Seleccionar la opción Convex hull of non-convex collision links para mejorar el rendimiento de simulación según la Figura 6.

Figura 6: Opciones de URDF importer

3. Finalmente, el resultado se aprecia en la siguiente figura. Nótese la jerarquía de los elementos del robot, de forma secuencial, correspondiente a un robot de cadena abierta como el robot cooperativo UR5 en la Figura 7.

Figura 7: Vista de CoppeliaSim

Por otro lado, CoppeliaSim ofrece una gran cantidad de robots comerciales incluidos en el programa para arrastrar al espacio de trabajo y comenzar a trabajar. Esto reduce el tiempo de creación del modelo cuando se pretende utilizar algún robot comercial disponible, como Sawyer, Kuka LBR4, Franka Emika Panda, etc. La Figura 8 muestra la simulación cinemática por defecto luego de importar el robot desde el panel navegador de robots.

Figura 8: Simulación del robot UR5 integrado en CoppeliaSim

¡Y ahí lo tienes! Siguiendo estos sencillos pasos, puedes crear y exportar tus propios archivos URDF desde Fusion 360, y usarlos para simular tus robots en CoppeliaSim o cualquier otro simulador compatible con URDF. ¡Feliz simulación!

Soy Sergio, un apasionado ingeniero en mecatrónica dedicado al diseño de robots clínicos y dispositivos biomédicos. Puedes seguirme en Twitter, ver algunos repositorios de mi trabajo en Github, o leer más sobre mí en este sitio web.