【ROS2机器人入门到实战】URDF统一机器人建模语言

原创

鱼香ROS 2023-10-31 11:33:34 ©著作权

文章标签 机器人 ROS2 URDF 建模语言 fish 文章分类 Python 后端开发

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1. URDF统一机器人建模语言

写在前面

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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：
<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。

【ROS2机器人入门到实战】URDF统一机器人建模语言_URDF

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机器人入门到实战】URDF统一机器人建模语言_ROS2_02

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

【ROS2机器人入门到实战】URDF统一机器人建模语言_URDF_03

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>