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 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单,可以主要简化为两部分:连杆(link标签) 与 关节(joint标签),接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:
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,但是该标签不是机器人模型必须的,只有在仿真时才需设置
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
1.属性
name: 指定机器人模型的名称
2.子标签
其他标签都是子级标签
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
1.属性
2.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)
标签2: cylinder(圆柱)
标签3: sphere(球体)
标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
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)
metrial 设置材料属性(颜色)
属性: name
标签: color
collision ---> 连杆的碰撞属性
Inertial ---> 连杆的惯性矩阵
在此,只演示visual
使用。
案例:
分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件
1.创建功能包,导入依赖
创建一个新的功能包,名称自定义,导入依赖包:urdf
与xacro
在当前功能包下,再新建几个目录:
urdf
: 存储 urdf 文件的目录
meshes
:机器人模型渲染文件(暂不使用)
config
: 配置文件
launch
: 存储 launch 启动文件
创建包的方法
catkin_create_pkg urdf01_rviz urdf xacro
2.编写 URDF 文件
新建一个子级文件夹:urdf
(可选),文件夹中添加一个.urdf
文件
在urdf文件里使用link标签
《需求:设置不同形状的机器人部件》
<!--需求:设置不同形状机器人部件-->
<robot name="mycar"> <!-- naem后面是机器人名字 -->
<!-- link(连杆)标签 -->
<link name="base_link"> <!-- 给连杆命名 -->
<!-- 可视化模型-->
<visual>
<!-- 设置连杆的形状 形状 有开始有结束 -->
<geometry>
<!-- 长方体的长宽高 -->
<!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
<!-- 圆柱,半径和长度 -->
<!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->
<!-- 球体,半径-->
<!-- <sphere radius="0.3" /> -->
</geometry>
<!-- 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="0 0 0" />
<!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
<material name="black">
<color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
我打的:
<!--需求:设置不同形状机器人部件-->
<robot name="mycar"> <!-- naem后面是机器人名字 -->
<!-- link(连杆)标签 -->
<link name="base_link"> <!-- 给连杆命名 -->
<!-- 可视化模型-->
<visual>
<!-- 形状 -->
<geometry>
<!-- 长方体的长宽高 -->
<!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
<!-- 圆柱,半径和长度 -->
<!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->
<!-- 球体,半径-->
<sphere radius="8" />
</geometry>
<!-- 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="0 0 0" />
<!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
<material name="black">
<color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
3.在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz
在launch
目录下,新建一个 launch 文件,该 launch 文件需要启动 Rviz,并导入 urdf 文件,Rviz 启动后可以自动载入解析urdf
文件,并显示机器人模型,核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中,可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器,使用的参数名是:robot_description
<launch>
<!-- 设置参数,在参数服务器载入urdf文件 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />
<!-- 启动 rviz -->
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />
</launch>
<launch>
<!-- 设置参数,在参数服务器载入urdf文件 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_link.urdf" />
<!-- 启动 rviz -->
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz"/>
</launch>
启动launch文件
roslaunch urdf01_rviz demo01_link.launch
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....,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转,而摄像头则可能是完全固定在底座上。
joint标签对应的数据在模型中是不可见的
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
parent(必需的)
parent link的名字是一个强制的属性:
child(必需的)
child link的名字是一个强制的属性:
origin
axis
需求: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: 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
-->
<robot name="mycar">
<!-- 底盘 -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.2 0.1" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1.0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
<!-- 摄像头 -->
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
<!-- 关节 -->
<joint name="camera2baselink" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera" />
<!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
<origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
</joint>
</robot>
launch文件示例如下:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf_rviz_demo)/urdf/urdf/urdf03_joint.urdf" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_rviz_demo)/config/helloworld.rviz" />
<!-- 添加关节状态发布节点 -->
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<!-- 添加机器人状态发布节点 -->
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
<!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>
PS:
1.状态发布节点在此是必须的:
<!-- 添加关节状态发布节点 -->
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<!-- 添加机器人状态发布节点 -->
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
Copy
2.关节运动控制节点(可选),会生成关节控制的UI,用于测试关节运动是否正常。
<!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
Copy
4.base_footprint优化urdf
前面实现的机器人模型是半沉到地下的,因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上,所以会导致这种情况产生,可以使用的优化策略,将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体,或边长为 0.001m 的立方体),然后再在初始 link 上添加底盘等刚体,这样实现,虽然仍然存在初始link半沉的现象,但是基本可以忽略了。这个初始 link 一般称之为 base_footprint
<!--
使用 base_footprint 优化
-->
<robot name="mycar">
<!-- 设置一个原点(机器人中心点的投影) -->
<link name="base_footprint">
<visual>
<sphere radius="0.001" /><geometry>
</geometry>
</visual>
</link>
<!-- 添加底盘 -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.2 0.1" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1.0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
<!-- 底盘与原点连接的关节 -->
<joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 0.05" />
</joint>
<!-- 添加摄像头 -->
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 0.5" />
</material>
</visual>
</link>
<!-- 关节 -->
<joint name="camera2baselink" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera" />
<origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
</joint>
</robot>
launch 文件内容不变。
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