【Tools-Mujoco】创建自定义的Mujoco模型

Mujoco是一个很好的仿真工具。你可能对它很熟悉，因为它强化学习领域受到众多学者的青睐，在OpenAI Gym中也有Mujoco的使用。 Mujoco提供了超快的动力学模拟，重点是接触动力学。它对于模拟机器人手臂和抓取任务特别有效，在模型预测控制和机器人模仿学习研究的文章中也颇具价值。

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前言

Mujoco官网有一个常用的模型库，可以满足基本需求。但我们也可以针对特定的需求建立自己的模型，这在Mujoco中是比较容易的。定义一个模型有两个部分。

STL文件，这是机器人部件的3D模型（导入STL允许你创建个性化的Mujoco模型，如果你不打算这样做，那么可以直接从第二步开始，利用Mujoco中基本的几何图形——长方体、椭圆等快速建立简单的模型）；
XML文件，它规定了模型中的运动学和动态关系。

对于STL的操作，我们使用SketchUp（草图大师），它是免费提供的，并且操作简单容易上手。

这篇文章将从SketchUp中的一些基本设置开始，完成将机器人模型拆分，导出为各个关节组件的STL文件的任务（假设你已经完成了3D建模），最终生成Mujoco XML机器人描述文件的步骤。

如果你还没有完成3D建模，不妨在网上快速搜索一下，有很多免费的3D模型可供下载使用。例如在Github、https://www.traceparts.com/en等网站寻找3D模型。本文不打算涉及任何3D建模的内容。

Sketchup设置

导入时设置模型单位

导入你的STL模型之前，在打开文件窗口中中选择你的文件，然后点击导入旁边的选项按钮，选择模型所定义的单位。如果你导入模型却看不到它，很可能是导入过程中选择的单位不正确，模型实在是太小而无法看到。

导入时设置模型单位

设置导出的模型单位

Mujoco使用你的STL模型中指定的单位。当使用相同的单位时，事情通常是最简单的。要修改模型导出时的单位，请到窗口 > 模型信息 > 单位 > 长度。

设置导出时的模型单位

测量精度

在SketchUp中进行任何测量之前，请在模型信息中改变你的测量精度，精度为最大的数字，以确保你得到准确的测量结果(在建立Mujoco XML时需要)。

禁用捕捉。

自动捕捉往往带来一些问题，要禁用它，请进入模型信息 > 单位，并取消点击 "长度捕捉 "和 “角度捕捉”。

Xray模式

将默认视图设置为X射线模式会很有帮助，这样在操作组件时就可以看到模型内部。请进入样式 > 默认样式 > X射线。

如何从完整的机器人模型中保存一个单独的部件

一个常见的状况是你有一个完整的机器人3D模型（就像上面的示意图中的机器人一样）。在这种情况下，建立Mujoco模型的第一步是为机器人的每个组件生成单独的STL文件，你希望能够独立控制每一个组件的运动。对于这些组件的每个STL文件，我们希望它连接到关节的点在原点 (0,0,0)(0,0,0)(0,0,0) ，因为这样可以简化在XML中建立模型的过程，并使正确指定惯性属性变得更加容易。

如果你的3D模型已经被分解成每个独立的组件，那么你可以跳到以原点为中心的部分。

将各组件导出为单独的STL

确保你已经解锁了模型。要做到这一点，请使用选择工具突出显示整个模型。右击模型，并选择炸开模型（或打散）。

炸开模型

要得到单独的组件。例如，选择整个手臂，然后删除其余部分。选择文件 > 导出 > 三维模型 > STL。点击文件格式右侧的选项，导出你的模型时，一定不要把你的模型保存为ASCII格式，选择二进制。重复此操作，直到将每个部件导出为自己的STL。

导出各个组件的STL文件

将组件定位在原点

对于每个组件，需要确定它的哪个位置将会连接到其它组件，即连接机器人其它部分的关节点位置。我们要设置STL，使这个点在原点。通过这样做，我们可以简化以后构建XML文件的过程。

最简单的方法是用移动工具点击对象上的一个点，输入[0, 0, 0]，然后按回车键。这将会把选定的点移动到原点。或者用移动工具点击对象上的一个点后，将其移动到坐标系原点。

当选择下一个关节点时，需要测量其坐标。我们需要知道每个组件关节点的所有偏移距离，以便建立XML文件，所以一定要记下来!

建立你的XML模型

一个完整的Mujoco模拟器应该包含三部分：

STL文件，即三维模型；
XML 文件，用于定义运动学和动力学关系；
模拟器构建的py文件，使用mujoco-py将XML model创建成可交互的环境，供（强化学习）算法调用。

XML结构

当你在构建你的XML文件时，最好参考官方说明Mujoco XML Reference。它是超级详细和彻底的，你主要需要关注官方对XML中各个标签的解释和它包含的各个属性的作用。这些内容主要包含在文档的asset和（world）body目录下。

在标准定义标签里面，我们主要使用以下三个部分。

<asset> ：用<mesh> tag导入STL文件；
<worldbody>：用<body>tag定义了所有的模拟器组件，包括灯光、地板以及你的机器人；
<acutator>：定义可以执行运动的关节。定义的顺序需要按照运动学顺序来，比如多关节串联机器人以工具坐标附近的最后一个关节为joint0，依此类推。

以下是一个XML的示例结构：

<mujoco model="example"><!-- set some defaults for units and lighting --><compiler angle="radian" meshdir="meshes"/><!-- 导入STL文件 --><asset><mesh file="base.STL" /><mesh file="link1.STL" /><mesh file="link2.STL" /></asset><!-- 定义所有模拟器组件 --><worldbody><!-- 灯光 --><light directional="true" pos="-0.5 0.5 3" dir="0 0 -1" /><!-- 添加地板，这样我们就不会凝视深渊 --><geom name="floor" pos="0 0 0" size="1 1 1" type="plane" rgba="1 0.83 0.61 0.5"/><!-- the ABR Control Mujoco interface expects a hand mocap --><body name="hand" pos="0 0 0" mocap="true"><geom type="box" size=".01 .02 .03" rgba="0 .9 0 .5" contype="2"/></body><!-- 构建串联机器人 --><body name="base" pos="0 0 0"><geom name="link0" type="mesh" mesh="base" pos="0 0 0"/><inertial pos="0 0 0" mass="0" diaginertia="0 0 0"/><!-- nest each child piece inside the parent body tags --><body name="link1" pos="0 0 1"><!-- this joint connects link1 to the base --><joint name="joint0" axis="0 0 1" pos="0 0 0"/><geom name="link1" type="mesh" mesh="link1" pos="0 0 0" euler="0 3.14 0"/><inertial pos="0 0 0" mass="0.75" diaginertia="1 1 1"/><body name="link2" pos="0 0 1"><!-- this joint connects link2 to link1 --><joint name="joint1" axis="0 0 1" pos="0 0 0"/><geom name="link2" type="mesh" mesh="link2" pos="0 0 0" euler="0 3.14 0"/><inertial pos="0 0 0" mass="0.75" diaginertia="1 1 1"/><!-- the ABR Control Mujoco interface uses the EE body to --><!-- identify the end-effector point to control with OSC--><body name="EE" pos="0 0.2 0.2"><inertial pos="0 0 0" mass="0" diaginertia="0 0 0" /></body></body></body></body></worldbody><!-- 定义关节上的执行器 --><actuator><motor name="joint0_motor" joint="joint0"/><motor name="joint1_motor" joint="joint1"/></actuator></mujoco>

**设置body position 和 geoms **

在<body>标签上的pos属性中设置与前一个body的偏移量，而不是在geoms上。在<joint>上你就可以设置pos="0 0 0"，这有助于简化后面的调试。

在每个主体部分，你可以有多个<joint>和。在同一主体上定义的geom将被融合在一起。如果你有几个融合在一起的geom的特定惯性属性，你必须为每个geom创建一个，以便能够实例化它们自己的<inertial>标签。否则，建议将它们都放在同一个中，以优化仿真速度。
Orientation and inertia（方向和惯性）

你可能需要旋转STLs，以便在您构建时将它们与机器人的其余部分正确对齐。你可以在<body>或<geom>标签中进行。如果你使用<inertial>标签，那么建议使用<geom>标签内的euler参数，而不是在<body>标签内。如果你在 <body> 标签中指定了旋转，还需要将相同的旋转应用于 <inertia> 参数，这使得事情变得复杂。

如果您没有提供 <inertial> 标签，惯性属性将由 geom 推断。
Contype 和 conaffinity

如果你不想让模型中的geom与其他部件发生碰撞，可以在geom标签上设置contype和conaffinity参数。如果你有一个紧密贴合的3D模型，并且遇到摩擦的问题，这可以很方便。
ABR控制的End-effector tag（末端执行器）标签

如果你要使用ABR控制库操作空间控制器，你需要在你要控制的机器人的点上添加一个标签<body name="EE" pos="0 0 0">。通常是手。

这些设置在 Mujoco XML Reference 都有简洁明了的说明。

一旦你添加了你的机器人身体部分，保存XML并用Mujoco仿真器仿真测试，指令类似于这样（Mujoco simulate的路径和xml文件的路径） /.mujoco/mujoco200/bin/simulate file_path 。你可能需要通过反复调整参数和在Mujoco中查看模型来进行一些微调。在XML文件中除了感兴趣的关节，先注释掉所有其它的关节，会使测试更容易。

最后，希望这些经验能够对你有所帮助，建模愉快。

一些问题和解决方法

SketchUp - 导入模型后看不到它

很可能是导入过程中选择的单位不正确，对象实在太小，看不清。打开STL文件时，在打开的文件窗口中选择你的文件，然后点击 "导入 "旁边的选项按钮来更改单位。

Mujoco - 我的手臂不动了，或者稍微移动一下就停止了。

在这种情况下，你很可能有链接之间的碰撞。可以在链接之间添加一个小的间隙（确保在随后的链接和关节中考虑到这种转变），或者可以使用contype和conaffinity标签来设置模型，以便不计算两个组件之间的碰撞。

例如，上述示例XML中，将链接之间的接触geom设置为具有不同的contype和conaffinity值，这样它们就不会相互刮擦而阻止运动。

Mujoco - 我的模型的一部分在疯狂地旋转。

这通常是由于被实例化后与模型的另一部分接触而产生的。有时看起来不同的模型段之间显然没有接触，但实际上是有的，因为接触动力学是如此计算的。

只支持凸形。在模型运行时按 F1，可以查看用于计算接触动力学的形状。

脖子和下巴之间没有空间

为了解决这个问题，你需要分解成多个组件STL文件，然后在XML中把它们拼接起来。例如，在上面的骨架中，你需要把它分解成头骨和脊柱STL。

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