URDF机器人建模 理论+实践

ROS学习不必须非要机器人硬件平台，需要了解如何创建机器人的模型
如何使用ROS中的URDF工具创建机器人的模型

什么是URDF

• Unified Robot Description Format,统一机器人描述格式
• ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式
• 可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型
• ROS同时也提供URDF文件的C++解析器（可以在C++代码中直接解析URDF机器人模型，好处：在基于模型的计算算法中，可以在代码中调用模型的信息，方便计算）

URDF实例

可以看到使用的是xml格式
从上面可以大概看到如何创建一个机器人模型

创建机器人模型需要将机器人拆解开，分成很多个部分
拆开的部分大概可以分为两大类
一类是link（连杆，刚体），视觉上可以感知的，比如人的大臂、小臂可以称之为两个连杆，连杆直接需要通过一定的关节来连接也就是另一类
另一类是joint（关节）。

整个机器人可以是 n个link + n个 joint 组成

URDF机器人建模

link

• 描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性；
• 尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞属性（collision properties）等。

主要以下面xml的格式来描述

包括3个子标签

• < visual >：描述机器人link部分的外观参数, 尺寸、颜色、形状等的外观信息
• < inertial >：描述link的惯性参数，主要用到机器人动力学的运算部分
• < collision >：描述link的碰撞属性，

如下图
展示了三个子标签的相关内容

首先绿色椭圆形是直观上去看到的是visual表达的

另外一个惯性参数 比如质心 是在蓝色的坐标下面，可以通过一些三维仿真软件、三维设计软件可以计算惯性矩阵参数

外侧红色的框是碰撞参数，一但该link和其它link或环境在红色框中发生交叉，代表和其它部分发生了碰撞。为了计算方便，会把碰撞属性做简化。

link还有一个比较关键的部分 就是坐标系

上图中 Link origin 是起始坐标，整个link创建的时候都是相对 Link origin坐标系创建的

joint

joint就是用来连接两个具体的link部分的

• 描述机器人关节的运动学和动力学属性
• 包括关节运动的位置和速度限制
• 根据关节的运动形式，可以将其分为六种类型。

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

下面图中，蓝色关节表示出一个运动的轴，蓝色关节是可以围绕该轴旋转的，也就是child这个link是可以围绕joint上下旋转。

joint是连接两个link，需要分一个主次关系，主关节是parent link，子关节是child link， 在xml形式的描述中 这个两个 link是必须存在的

joint 标签

robot

整个一个机器人的完整模型可以用link和joint两种标签来描述

这两种标签需要包含到更大的标签中去 就是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
  
  

URDF 实践

创建机器人描述的功能包

创建一个机器人建模的功能包

进入工作空间中的src 功能包目录下

$ cd ./catkin_ws/src/

输入创建功能包命令

$ catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro

机器人模型、描述文件在ROS里 通常的以 机器人名_description
并且需要urdf 依赖功能呢包 和 xacro（优化urdf用的）依赖

在功能包下创建几个不用作用的文件夹

• 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，通过三维设计软件导出，放置此文件夹下
• 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

编辑launch启动文件

主要是加载urdf 并在rviz中显示
下面launch文件是在rviz中显示机器人的一种固定形态
想显示机器人基本上修改第一行 urdf文件的路径和最后一行rviz配置文件的路径就行

<launch>
    
	<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.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>

创建urdf模型

创建小车底盘

在urdf文件夹下 创建mbot_base.urdf文件

注意在运行launch文件时，.urdf里的注释要去掉，否正会报错误

将移动机器人小车的底盘抽象为一个圆柱体

	
<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>

robot>

可以先看下这个link显示的效果
执行刚写的launch文件

$ roslaunch display_mbot_base_urdf.launch

创建左侧车轮

在base_link下继续加

    
    <link name="left_wheel_link">
        <visual>
            
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                
            geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            material>
        visual>
    link>

在base_link与left_wheel_link 中间加入joint ：left_wheel_joint
类型是 continuous无限旋转 详见joint介绍

      
    <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>

左轮添加完成，可以看下效果

其中的下面这个插件

可以来做旋转测试
对应launch文件中的

创建右侧车轮

和左轮类似 有的参数镜像就行 ： joint 处 y轴与左轮相反

    
    <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>
                
            geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            material>
        visual>
    link>

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" />
            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>

增加传感器

摄像头
以黑色正方块表示

    
    <link name="camera_link">
        <visual>
            <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
            <geometry>
                <box size="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>

激光雷达

     
    <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>

kinect

    <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>

这样一个可视化的机器人就创建完成了

检查URDF模型整体结构

在urdf文件夹下执行 urdf_to_graphiz+要检查的urdf文件

$ urdf_to_graphiz mbot_with_kinect.urdf 

会在当前路径下创建一个pdf文件

可以看到机器人所以的link和joint的关系分析出来

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

参考资料

wiki.ros.org/urdf/Tutorials

如何优化urdf模型，放在下次博客