本系列教程作者:小鱼
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《ROS2机器人建模URDF》8.1URDF统一机器人建模语言_建模


8.1 URDF统一机器人建模语言

大家好,我是小鱼,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:

<note>
<to>小鱼</to>
<from>鱼粉</from>
<heading>100万</heading>
<body>收到来自鱼粉的100万打赏!</body>
</note>

其中的​​<node></node>​​等标签都是自定义的,只要符合xml格式即可

XML格式在线校验工具:​​在线代码格式化 (oschina.net)​

XML格式注释:

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:

  1. URDF的组成介绍
  2. URDF-Link介绍
  3. URDF-Joint介绍
  4. 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​​一个声明信息​​​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

<?xml version="1.0"?>

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

<robot name="fishbot">

</robot>

1.2 两种关键组件

观察下图机器人的结构

《ROS2机器人建模URDF》8.1URDF统一机器人建模语言_xml_02

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:













左轮


躯体


右轮


IMU


雷达


支撑轮子



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。



left_wheel_joint


right_wheel_joint


imu_joint


laser_joint


caster_joint


左轮:left_wheel_link


躯体:base_link


右轮:right_wheel_link


IMU:imu_link


雷达:laser_link


支撑轮子:caster_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。

《ROS2机器人建模URDF》8.1URDF统一机器人建模语言_建模_03

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,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,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

《ROS2机器人建模URDF》8.1URDF统一机器人建模语言_建模_04

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

《ROS2机器人建模URDF》8.1URDF统一机器人建模语言_RVIZ2_05



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作者介绍:

我是小鱼,机器人领域资深玩家,现深圳某独脚兽机器人算法工程师一枚

初中学习编程,高中开始接触机器人,大学期间打机器人相关比赛实现月入2W+(比赛奖金)

目前在输出机器人学习指南、论文注解、工作经验,欢迎大家关注小鱼,一起交流技术,学习机器人