机器人仿真——URDF建模
URDF定义
URDF全称为Unified Robot Description Format，中文可以翻译为“统一机器人描述格式”。与计算机文件中的.txt文本格式、.jpg图像格式等类似，URDF是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的格式。根据该格式的设计者所言，设计这一格式的目的在于提供一种尽可能通用的机器人描述规范。
从机构学角度讲，机器人通常被建模为由连杆和关节组成的结构。连杆是带有质量属性的刚体，而关节是连接、限制两个刚体相对运动的结构。关节也被成为运动副。通过关节将连杆依次连接起来，就构成了一个个运动链（也就是这里所定义的机器人模型）。一个URDF文档即描述了这样的一系列关节与连杆的相对关系、惯性属性、几何特点和碰撞模型。具体来说，包括机器人模型的运动学与动力学描述机器人的几何表示机器人的碰撞模型
一、浅识URDF
1、什么是URDF
1、 Unified Robot Description Format,统一机器人描述格式；
2、ROS中一个非常重要的机器人描述格式；
3、可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型；
4、ROS同时也提供URDF文件的C++解析器
2、URDF标签说明
<link>
- 用于描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性;
- （比如尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞属性（collision properties）等）
XML格式
<link name="<link name>">
<!-- 描述机器人link部分的外观参数 -->
<inertial>......</inertial>
<!-- 描述link的惯性参数 -->
<visual>......</visual>
<!-- 描述link的碰撞属性 -->
<collision>......</collision>
</link>
<joint>
| 关节类型 | 描述 |
|---|---|
| continuous | 旋转关节，可以围绕单轴无限旋转 |
| revolute | 旋转关节，类似于continuous，但是有旋转的角度限制 |
| prismatic | 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，带有位置极限 |
| planar | 平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转 |
| 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 |
XML格式
<joint name="<name of the joint>" type="<joint type>">
<parent link="parent_link"/>
<child link="child_link"/>
<!--关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置-->
<calibration ....../>
<!--描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等；经常在动力仿真中用到-->
<dynamics damping ....../>
<!--描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置，速度限制，力矩限制等-->
<limit effort ....../>
<!--描述该关节与已有关节的关系-->
<mimic....../>
<!--描述安全控制器系数-->
<safety_controller....../>
......
</joint>
<robot>
- 完整机器人模型的最顶层标签;
- < link > 和 < joint >标签必须包含在 < robot > 标签内。
XML格式
<robot name="name of the robot">
<link>......</link>
<link>......</link>
<joint>......</joint>
<joint>......</joint>
</robot>
3、创建功能包
创建一个机器人模型的功能包
#进入工作空间
cd ./catkin_ws/src/
#创建功能包
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
cd ./catkin_ws/src/mbot_description
mkdir urdf
mkdir meshes
mkdir launch
mkdir config
红色方框中的报错是因为我已经创建了该文件夹。
查看文件夹并注释
| 文件夹名称 | 作用 |
|---|---|
| urdf | 存放机器人模型的URDF或xacro文件 |
| meshes | 放置URDF中引用的模型渲染文件，机器人外观纹理，让外观和实际更相似 |
| launch | 保存相关启动文件 |
| config | 保存rviz的配置文件、功能包的配置文件 |
二、建模的实现
编辑launch启动文件
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_base_urdf.launch
display_mbot_base_urdf.launch文件内容
<launch>
<!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面，保存每次打开之后的相关插件，保存到config文件夹下面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
复制上面代码粘贴到文件中
使用圆柱体创建一个车体模型
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_base.urdf
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<!-- link坐标位置，放在最* ，xyz单位是米，rpy单位是弧度-->
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<!-- 机器人的外观效果，使用圆柱体，高0.16，半径0.20 -->
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
<!-- 通过rgba来描述颜色，颜色命名为yellow,a为1是不透明-->
</visual>
<!--visual指的是一些物理属性的标签 -->
</link>
</robot>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
出现报错
按照错误的提示，逐步去解决问题，解决一个编译一次
问题一：Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package
sudo apt-get install ros-melodic-joint-state-publisher-gui
问题二[joint_state_publisher-1] process has died [pid 12201, exit code 1, cmd /opt/
urdf文件第一行前面到空格全部去掉，一般格式正确后都会有颜色的，写urdf一定要注意格式，并且将其中的注释给去掉，后面再添加相应代码的时候注意去掉注释内容
问题三：RVIZ启动但不显示模型
①将Fixed Frame改为base_link
②点击下方的Add按钮添加RobotModel
效果演示
鼠标放置模型上，可以对模型进行放缩。
创建左侧车轮
sudo gedit display_mbot_base_urdf.launch
将代码贴到上个文件的空白处
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<!-- joint名字为left_wheel_joint，属性为continuous，即无限旋转-->
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<!-- 坐标位置，在base_link基础上，Y偏移0.19，z偏移-0.05-->
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<!-- 主关节：base_link，上面的圆柱形车体-->
<!-- 子关节：left_wheel_link，左轮-->
<!-- 主关节最后是一个，本代码是base_link-->
<axis xyz="0 1 0"/>
<!--left_wheel_link绕某一个轴做旋转，指定为Y轴 -->
</joint>
<!--joint用来连接两个link-->
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<!--左轮信息-->
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
添加TF坐标，将左面robotmodel选项取消
创建右侧车轮
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<!-- 坐标位置，在base_link基础上，Y偏移-0.19，z偏移-0.05，与左轮正好相反-->
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
创建前后支撑轮
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
<!--用圆形*代替 -->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
三、添加摄像头（camera）
执行下列指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_camera.urdf
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_camera_urdf.launch
添加如下内容
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_camera_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_camera.urdf " />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面，保存每次打开之后的相关插件，保存到config文件夹下面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
效果演示
roslaunch mbot_description display_mbot_with_camera_urdf.launch
四、添加激光雷达（Lidar）
执行指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_laser.urdf
添加如下内容
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="laser_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0 0.105" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_laser_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_laser.urdf " />
<param name="use_gui" value="true"/>
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
效果演示
roslaunch mbot_description display_mbot_with_laser_urdf.launch
五、添加Kinect
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_kinect.urdf
添加如下内容
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="kinect_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708"/>
<geometry>
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="kinect_link"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_kinect_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_kinect.urdf " />
<param name="use_gui" value="true"/>
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
在meshes文件中创建纹理描述信息。 新建文件名称： kinect.dae
由于无法获得相关信息文件，无法进行效果演示。
指令
roslaunch mbot_description display_mbot_with_kinect_urdf.launch
六、检查URDF模型整体结构
urdf文件夹下执行 urdf_to_graphiz+要检查的urdf文件
urdf_to_graphiz mbot_with_camera.urdf
打开生成的pdf文件查看
URDF建模存在的问题：
- 模型冗长，重复内容过多；
- 参数修改麻烦，不便于二次开发；
- 没有参数计算功能
七、总结与参考资料
1、总结
整篇文章主要讲的ROS的建模，其实整体内容还是比较简单的，但是重复的步骤太多了。这也是URDF建模的缺点。事物都有两面性，我们需要客观看待，有缺点我们不能对其进行全面的否定。但是我们可以改进它，将它进行优化。
2、参考资料
ROS学习笔记------ROS机器人系统设计.
Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package.RVIZ成功启动不显示圆柱模型.
ROS: [xxx.launch] is neither a launch file in package.
ROS学习笔记（2）6轴机器臂 [xxx.launch] is neither a launch file in package.