ROS学习笔记14——URDF语法

Simulink_

已于 2024-09-26 23:35:50 修改

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分类专栏： ros1 文章标签：学习笔记机器人

于 2024-09-26 23:35:35 首次发布

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URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是在URDF中主要简化为两个部分：连杆(link标签) 与关节(joint标签)。接下来是对URDF的一些标签的学习：

robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签
link 连杆标签
joint 关节标签
gazebo 集成gazebo需要使用的标签

关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置。

1、<robot>

urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内，在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称，其他标签都是robot的子标签。与launch文件中的launch标签类似。

2、<link>

urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头...每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性。

2.1 子标签

visual ---> 描述外观(对应的数据是可视的)
- geometry 设置连杆的形状
  - 标签1: box(盒状)
    - 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)
  - 标签2: cylinder(圆柱)
    - 属性:radius=半径 length=高度
  - 标签3: sphere(球体)
    - 属性:radius=半径
  - 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
    - 属性: filename=资源路径(格式:package://<packagename>/<path>/文件)
- origin 设置偏移量与倾斜弧度
  - 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移
  - 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)
- material 设置材料属性(颜色)
  - 属性: name
  - 标签: color
    - 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])
collision ---> 连杆的碰撞属性
Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

2.1.1 URDF

分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件

<!-- 设置不同形状的机器人部件 -->
<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <!-- 可视化标签 -->
        <visual>
            <!-- 1、形状 -->
            <geometry>
                <!-- 1.1 立方体 -->
                <!-- <box size="0.3 0.2 0.1" /> -->
                <!-- 1.2 圆柱 -->
                <!-- <cylinder radius="0.1" length="2" /> -->
                <!-- 1.3 球体 -->
                <!-- <sphere radius="1" /> -->
                <!-- 1.4 皮肤 -->
                <mesh filename="package://urdf01_rviz/meshes/autolabor_mini.stl" />
            </geometry>

            <!-- 2、偏移量与倾斜弧度 -->
            <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 1.57" />

            <!-- 3、颜色 -->
            <material name="black" >
                <!-- r=red g=green b=blue a=透明度 ，取值都在[0,1] -->
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            </material>

        </visual>
    </link>
</robot>

2.1.2 launch

<launch>
    <!-- 1、在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_link.urdf" />
    <!-- 2、启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
</launch>

collision 和 Inertial 一般在仿真环境时用到。

3、<joint>

urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以"关节"的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制等等。joint标签对应的数据在模型中是不可见的。

3.1 属性

name ---> 为关节命名
type ---> 关节运动形式
- continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
- revolute: 旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制
- prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
- planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
- floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
- fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节

3.2 子标签

parent(必需的)

parent link的名字是一个强制的属性：
- link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
child(必需的)

child link的名字是一个强制的属性：
- link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
origin
- 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。
axis
- 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。

3.2.1 URDF

创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。

<!-- 需求：设置机器人底盘，并添加摄像头 -->
<robot name="mycar">
    <!-- base_footprint link-->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 1、底盘link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.3 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.7 0.3 0.3 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- base_footprint 和 base_link 之后的关节 -->
    <joint name="MycarToBase_footprint" type="fixed">
        <!-- 父级link -->
        <parent link="base_footprint" />
        <!-- 子级link -->
        <child link="base_link" />
        <!-- 偏移量 -->
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0" />  
    </joint>

    <!-- 2、摄像头link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 1 0 0.4" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 3、关节 -->
    <joint name="CameraToBase" type="continuous">
        <!-- 父级link -->
        <parent link="base_link" />
        <!-- 子级link -->
        <child link="camera" />
        <!-- 偏移量 -->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0" />  
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

3.2.2 launch

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

    <!-- 
        若只有上面两条，摄像头显示位置和颜色异常
        rviz报错提示：No transform from [camera] to [base_link] ——> 缺少[camera] 到 [base_link] 的坐标变换
        原因：rviz 中显示 URDF 时，必须发布不同部件之间的坐标系关系
        解决：ros中提供了关于机器人模型显示的坐标发布相关节点（两个）
     -->
     <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
     <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

     <!-- 添加控制关节运动的节点 可以用来测试关节运动是否正常 -->
     <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>

4、简单实例

创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)。

4.1 urdf

<robot name="mycar">
    <!-- 
        创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,
        底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，
        四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，
        两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，
        两个万向轮为球状，半径 0.75cm，
        底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)
     -->
    <!-- base_footprint link -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
    <!-- 底盘link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.1" length="0.08" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="base_link_color">
                <color rgba="0.3 0.5 0.2 0.5" />
            </material>
        </visual>    
    </link>
    <!-- 底盘link 和 base_footprint 之间的 joint -->
    <joint name="Base_linkToBase_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link" />
        <!-- 关节z上的设置 = 车体高度/2 + 离地间距 -->
        <origin xyz="0 0 0.055" rpy="0 0 0" />
    </joint>
<!-- 添加驱动轮 -->
    <!-- 驱动轮左 link -->
    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="left_wheel_color">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 驱动轮右 link -->
    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="right_wheel_color">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 驱动轮左 和 底盘 joint -->
    <joint name="left_wheelToBase_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0 0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>
    <!-- 驱动轮右 和 底盘 joint --> 
    <joint name="right_wheelToBase_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>
<!-- 添加万向轮 -->
    <!-- 万向支撑轮前 link -->
    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="front_wheel_color">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 万向支撑轮前 和 底盘 joint -->
     <joint name="front_wheelToBase_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="front_wheel" />
        <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>
    <!-- 万向支撑轮后 link -->
    <link name="back_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="back_wheel_color">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 万向支撑轮后 和 底盘 joint -->
    <joint name="back_wheelToBase_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="back_wheel" />
        <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

</robot>

4.2 launch

 <launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_test.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>