datetime:2023/09/26 18:28

author:nzb

该项目来源于大佬的动手学ROS2

1. URDF统一机器人建模语言

本节课我们来介绍机器人的URDF建模。

URDF（Unified Robot Description Format）统一机器人描述格式，URDF使用XML格式描述机器人文件。

XML是 被设计用来传输和存储数据的可扩展标记语言，注意语言本身是没有含义的，只是规定了其数据格式

比如说下面这段信息：
<robot name="阿童木">
<link name="大手臂">具体的描述</link>
<joint name="胳膊肘">具体的描述</joint>
<link name="小手臂">具体的描述</link>
</robot>
XML格式在线校验工具:在线代码格式化 (oschina.net)

XML格式注释：标签: robot link

robot标签的属性name: <robot name="fishbot"></robot>

robot标签的子标签link: <robot name="fishbot"><link name="base_link"></link>link></robot>

使用XML定义的一个最简单的URDF模型可以像下面这样

<?xml version="1.0"?>
<robot name="fishbot">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder length="0.18" radius="0.06"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

接着我们从下面四个方面介绍URDF：

URDF的组成介绍
URDF-Link介绍
URDF-Joint介绍
创建一个简单的URDF并在RVIZ2中可视化

1.URDF的组成介绍

一般情况下，URDF由声明信息和两种关键组件共同组成

1.1 声明信息

声明信息包含两部分，第一部分是xml的声明信息，放在第一行第二部分是机器人的声明，通过robot标签就可以声明一个机器人模型

<?xml version="1.0"?>
<robot name="fishbot">
     <link></link>
     <joint></joint>
  ......
</robot>

1.2 两种关键组件(Joint&Link)

以FishBot机器人为例分析。观察下图机器人的结构。

可以简化为如下五个部件组成：

躯体
左右轮子
支撑轮
雷达激光
IMU模块

这五个部件之间的固定方式为：

graph TB A[左轮] -->C[躯体] B[右轮] -->C[躯体] D[IMU] -->C[躯体] E[雷达] -->C[躯体] F[支撑轮子] -->C[躯体]

我们把左轮，右轮、支撑轮子，IMU和雷达部件称为机器人的Link

而Link和Link之间的连接部分称之为Joint关节

接着我们给每个link和joint取个名字。

graph TB A[左轮:left_wheel_link] --left_wheel_joint-->C[躯体] B[右轮:right_wheel_link] --right_wheel_joint-->C[躯体] D[IMU:imu_link] --imu_joint-->C[躯体] E[雷达:laser_link] --laser_joint-->C[躯体] F[支撑轮子:caster_link] --caster_joint-->C[躯体:base_link]

所以我们就可以使用6个link和5个joint来描述这个机器人，接着我们分别对link和joint进行详细的介绍。

2.Link介绍

上面我们介绍完了link，那一个link该怎么写呢？

我们来看一个base_link的写法，通过link标签即可声明一个link,属性name指定部件名字


<link name="base_link">

</link>

通过两行代码就可以定义好base_link，但现在的base_link是空的，我们还要声明我们的base_link长什么样，通过visual子标签就可以声明出来机器人的visual形状。

  <!-- base link -->
<link name="base_link">
    <visual>
        <origin xyz="0 0 0.0" rpy="0 0 0"/>
        <geometry>
            <cylinder length="0.12" radius="0.10"/>
        </geometry>
    </visual>
</link>

2.1 link标签定义

link的子标签列表

visual 显示形状
- <geometry>(几何形状)
  - <box> 长方体
    - 标签属性: size-长宽高
    - 举例：<box size="1 1 1" />
  - <cylinder> 圆柱体
    - 标签属性:radius -半径 length-高度
    - 举例：<cylinder radius="1" length="0.5"/>
  - sphere 球体
    - 属性：radius -半径
    - 举例：<sphere radius="0.015"/>
  - mesh 第三方导出的模型文件
    - 属性：filename
    - 举例:<mesh filename="package://robot_description/meshes/base_link.DAE"/>
- origin (可选：默认在物体几何中心)
  - 属性 xyz默认为零矢量 rpy弧度表示的翻滚、俯仰、偏航
  - 举例：<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
- material 材质
  - 属性 name 名字
    - color
      - 属性 rgba a代表透明度
      - 举例：<material name="white"><color rgba="1.0 1.0 1.0 0.5" /> </material>
collision 碰撞属性，仿真章节中讲解
inertial 惯性参数质量等，仿真章节中讲解

3.Joint介绍

joint为机器人关节，机器人关节用于连接两个机器人部件，主要写明父子关系

父子之间的连接类型，包括是否固定的，可以旋转的等
父部件名字
子部件名字
父子之间相对位置
父子之间的旋转轴，绕哪个轴转

比如我们再建立一个雷达部件laser_link，然后将laser_link固定到base_link

<?xml version="1.0"?>
<robot name="fishbot">

    <!-- base link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0.0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="0.12" radius="0.10"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- laser link -->
    <link name="laser_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="0.02" radius="0.02"/>
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 0.5"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- laser joint -->
    <joint name="laser_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="laser_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.075"/>
    </joint>

</robot>

3.1 joint标签详解

joint属性

name 关节的名称
type 关节的类型
- revolute: 旋转关节，绕单轴旋转,角度有上下限,比如舵机0-180
- continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转,比如自行车的前后轮
- fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节
- 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xyz，rxryrz六个方向运动
- floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动

joint的子标签

parent 父link名称
- <parent link="base_link" />
child子link名称
- <child link="laser_link" />
origin 父子之间的关系xyz rpy
- <origin xyz="0 0 0.014" />
axis 围绕旋转的关节轴
- <axis xyz="0 0 1" />

下一节我们尝试将我们的机器人模型在RVIZ2中显示出来

参考文档

URDF统一机器人建模语言