🤖 机器人多学科仿真软件：Webots（3）——机器人模型创建与导入

📌 目录

  1. Webots 模型系统简介
  2. 创建自定义机器人模型的基本方法
  3. 使用 PROTO 文件构建模块化机器人
  4. 导入第三方模型（如 URDF、STL）
  5. 机器人模型常见组件结构说明
  6. 动力学属性与传感器设置
  7. 模型调试技巧与注意事项
  8. 实战：导入一个 ROS 机器人模型
  9. 总结与最佳实践

1. Webots 模型系统简介

Webots 中的机器人模型是一组包含 几何、动力学、传感器、控制器 等属性的 节点树（Node Tree）。模型可以是：

  • 内置机器人（如 NAO、Pioneer）
  • 用户自定义模型
  • 通过 URDF、STL 等导入的外部模型

Webots 支持 模块化建模（通过 .proto），也允许你手动在 .wbt 世界文件中直接构造机器人。

2. 创建自定义机器人模型的基本方法

最基础的方法是直接在 .wbt 文件中使用 Robot 节点创建模型。例如：

Robot {
  translation 0 0 0
  children [
    Solid {
      translation 0 0 0.05
      geometry Box {
        size 0.1 0.1 0.1
      }
      appearance Appearance {
        material Material {
          diffuseColor 0.8 0.2 0.2
        }
      }
    }
  ]
  controller "my_controller"
}

此结构定义了一个简单的红色立方体机器人。

3. 使用 PROTO 文件构建模块化机器人

Webots 强烈推荐使用 .proto 文件来构建可重用组件或模块化机器人。

示例：创建一个基本轮式底盘

PROTO MyWheeledRobot [
  field SFVec3f    translation 0 0 0
  field SFRotation rotation    0 1 0 0
]
{
  Robot {
    translation IS translation
    rotation IS rotation
    children [
      # 添加车体、轮子等子组件
    ]
    controller "my_controller"
  }
}

优点：

  • 参数化建模
  • 易于调试和共享
  • 可以嵌套使用其他 PROTO 文件

4. 导入第三方模型（URDF、STL）

Webots 支持从多个格式导入模型：

✅ URDF 导入

可通过 ROS 工具 urdf2webots 或 Webots 提供的 importURDF 工具转换。

rosrun webots_ros import_urdf my_robot.urdf

或通过 Webots 菜单：
File → Import Robot from URDF

✅ STL/OBJ 文件导入

使用 Shape 节点引用：

Shape {
  geometry IndexedFaceSet {
    coord Coordinate { point [...] }
  }
  appearance Appearance {
    material Material { diffuseColor 1 1 1 }
  }
}

或直接：

Shape {
  geometry Mesh {
    url "my_robot.stl"
  }
}

注意：Mesh 文件仅用于可视化模型，若需物理仿真，需结合 BoundingObject 和 Physics 节点。

5. 机器人模型常见组件结构说明

典型结构如下：

Robot
├── children
│   ├── Solid（每个连接的部件）
│   │   ├── geometry（几何体）
│   │   ├── appearance（材质）
│   │   └── physics（动力学参数）
│   ├── HingeJoint / SliderJoint（关节）
│   └── Sensor（如 DistanceSensor）
└── controller（控制器脚本）

6. 动力学属性与传感器设置

每个 Solid 节点可以设置物理属性：

physics Physics {
  mass 0.5
  centerOfMass [0 0 0.05]
  inertiaMatrix [...]
}

添加传感器示例：

DistanceSensor {
  name "front_sensor"
  translation 0.1 0 0.05
  rotation 0 1 0 0
}

通过 enable(timeStep) 可在控制器中启动。

7. 模型调试技巧与注意事项

  • 使用 Webots 的 3D 视图检查坐标和连接；
  • 打开 “Scene Tree” 面板确认结构；
  • 使用控制台输出调试控制器状态；
  • 质量单位为 kg，尺寸为 m，时间为 s；
  • 避免使用空心 Mesh 作为物理实体；
  • 所有关节连接的 Solid 必须设置质量和碰撞体。

8. 实战：导入一个 ROS 机器人模型

步骤：

  1. 安装 urdf2webots 工具：sudo apt install ros-<distro>-urdf2webots
  2. 执行转换命令：urdf2webots my_robot.urdf -o my_robot_webots
  3. 在 Webots 中打开 my_robot_webots.wbt 文件。
  4. 配置 ROS 节点接口（可通过 webots_ros2 插件连接 ROS2）。

9. 总结与最佳实践

内容建议
模型复用使用 PROTO 封装参数化模型
外部导入优先使用 URDF 配合 ROS 工具链
传感器模拟使用 Webots 内置传感器节点
可视化优化使用 Mesh 渲染 + Solid 简化碰撞体
模型测试每次构建后单独测试控制器与动力学

📚 参考资料与延伸阅读

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