ros2_control 中的关节运动学（Joint Kinematics for ros2_control）¶

本文旨在概述 ros2_control 框架中关节运动学（Joint Kinematics）的相关概念，简要介绍该主题并解释当前在 ros2_control 中的实现方式。

术语定义（Nomenclature）¶

自由度（Degrees of Freedom, DoF）¶

引自维基百科：
在物理学中，一个机械系统的自由度（DoF）是指定义其构型或状态所需的独立参数数量。

关节（Joint）¶

关节是连接两个连杆（link）的机械结构。在 ROS 生态系统中，常见的关节类型包括：

Revolute（旋转关节）：带位置限制的铰链关节
Continuous（连续旋转关节）：无位置限制的旋转关节
Prismatic（棱柱关节）：沿轴线滑动的平移关节

关节可分为： - 主动关节（Actuated）：配备执行器，可主动驱动
- 被动关节（Passive / Non-actuated）：无执行器，仅通过外力或其它关节带动运动

被动关节可以具有 1 个自由度（如单摆），也可以作为并联机构的一部分而具有 0 自由度（受约束）。

串联运动学（Serial Kinematics）¶

指机器人操作臂中关节依次连接的结构，其中： - 每个关节相互独立 - 关节数量 = 运动链自由度数

典型示例：6 自由度工业机械臂（6 个旋转关节），其末端执行器可在工作空间内达到任意位置和姿态。

运动学闭环（Kinematic Loops / Closed-Loop Mechanisms）¶

指多个关节通过连杆形成闭环结构，关节之间相互耦合，不能独立运动。
- 关节数 > 自由度数 - 常见于并联机构（Parallel Kinematic Mechanisms）

示例：四杆机构（Four-bar linkage）
- 包含 4 个连杆和 4 个关节
- 可配备 1 或 2 个执行器 → 自由度为 1 或 2
- 因此有 1（或 2）个主动关节 + 3（或 2）个被动关节，所有关节必须满足运动学约束

URDF 支持情况¶

URDF（Unified Robot Description Format）是 ROS 中描述机器人运动学的默认格式，但其原生仅支持串联运动链。

Mimic 关节（Mimic Joints）¶

URDF 通过 <mimic> 标签提供对简单闭环或耦合关节的有限支持。

示例：夹爪的对称运动¶

<joint name="right_finger_joint" type="prismatic">
  <axis xyz="0 1 0"/>
  <origin xyz="0.0 -0.48 1" rpy="0.0 0.0 0.0"/>
  <parent link="base"/>
  <child link="finger_right"/>
  <limit effort="1000.0" lower="0" upper="0.38" velocity="10"/>
</joint>

<joint name="left_finger_joint" type="prismatic">
  <mimic joint="right_finger_joint" multiplier="1" offset="0"/>
  <axis xyz="0 1 0"/>
  <origin xyz="0.0 0.48 1" rpy="0.0 0.0 3.1415926535"/>
  <parent link="base"/>
  <child link="finger_left"/>
  <limit effort="1000.0" lower="0" upper="0.38" velocity="10"/>
</joint>

Mimic 关节可建模的现实场景：¶

具有线性位置/速度依赖关系的简单闭环机构
皮带-滑轮系统、伸缩臂等同步传动结构
简化的被动关节模型（如末端单摆始终垂直向下）
多电机同步控制组（多个执行器共享同一设定值）

ros2_control 中的 Mimic 关节处理¶

URDF 中定义的 mimic 关节会被 ResourceManager 解析，并存储在 HardwareInfo 类中，供硬件组件访问。
关键限制：
Mimic 关节不能声明命令接口（command_interface）
可以声明状态接口（state_interface）

示例：`<ros2_control>` 配置¶

<ros2_control>
  <joint name="right_finger_joint">
    <command_interface name="effort"/>
    <state_interface name="position"/>
    <state_interface name="velocity"/>
    <state_interface name="effort"/>
  </joint>
  <joint name="left_finger_joint">
    <!-- mimic 关节：无 command_interface -->
    <state_interface name="position"/>
    <state_interface name="velocity"/>
    <state_interface name="effort"/>
  </joint>
</ros2_control>

✅ 已支持 mimic 的官方包： - mock_components（通用系统） - gz_ros2_control

运动学关系（由 URDF 定义，与硬件接口类型无关）：¶

位置：position = multiplier * other_joint_position + offset
速度：velocity = multiplier * other_joint_velocity

禁用 Mimic 行为（无需修改 URDF）¶

在 <ros2_control> 段中设置 mimic="false" 即可覆盖 URDF 行为：

<joint name="left_finger_joint" mimic="false">
  <state_interface name="position"/>
  <state_interface name="velocity"/>
  <state_interface name="effort"/>
</joint>

传动接口（Transmission Interface）¶

机械传动装置用于在执行器空间（actuator space）和关节空间（joint space）之间转换功率变量（力/力矩、速度），并保持功率守恒。

Effort 变量：力（线性）、力矩（旋转）
Flow 变量：线速度、角速度

在机器人中，传动通常位于执行器与关节之间。transmission_interface 提供了双向映射支持：

映射类型	说明
位置	非功率变量，但可通过速度映射 + 零点偏移积分实现
速度/力矩	直接通过传动比转换

使用方式¶

transmission_interface 提供基类和插件实现
不会自动加载，需由自定义硬件组件显式加载
Gazebo 插件不自动集成传动接口

当前可用的传动实现：¶

SimpleTransmission：恒定减速比，无动态特性
DifferentialTransmission：双执行器 → 双关节的差速传动
FourBarLinkageTransmission：四杆机构传动（双执行器 → 双关节）

📚 更多信息请参考：example_8 示例或 transmission_interface 官方文档。

闭环运动链的仿真（Simulating Closed-Loop Kinematic Chains）¶

不同仿真插件对闭环运动链的支持程度不同：

1. `gazebo_ros2_control`¶

✅ 支持 mimic 关节
✅ 支持闭环运动学（通过 URDF 中的 <gazebo> 标签实现）

示例参考：Gazebo 闭环关节配置

2. `gz_ros2_control`（Ignition Gazebo）¶

✅ 支持 mimic 关节
❌ 尚未原生支持闭环运动学
🔧 可通过自定义插件 + DetachableJoint 实现

跟进进展：gz_ros2_control 闭环支持 Issue

总结¶

ros2_control 原生支持串联运动学
通过 Mimic 关节可模拟简单线性耦合的闭环或被动关节
复杂闭环机构需依赖仿真器（如 Gazebo）或自定义硬件组件 + 传动接口
传动接口为执行器-关节映射提供标准化插件机制，但需手动集成

📌 设计建议：对于高度耦合的并联机构，建议在硬件抽象层或仿真层实现完整的运动学求解器，而非依赖 URDF mimic 机制。