urdf 学习与制作

http://blog.csdn.net/sunbibei/article/details/52297524

在定义好了机器人的骨架后, 进一步我们可以使用origin子标签进行定义link所应该在的位置. 但是有一点应该注意到, link和link之间是使用joint进行连接, 那么link的位置, 就由连接他的joint确定. 所以, 该子标签是定义在joint内. 在三维空间中, 要精确描述一个刚性体的姿态, 仅仅使用他的xyz坐标是不够的, 还需要使用rpy. rpy角是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法. 将船的行驶方向取为z轴, 绕z轴旋转称为滚动(Roll), 绕y轴旋转称为俯仰(Pitch), 绕x轴旋转称为偏转(Yaw). 

http://blog.csdn.net/crazyquhezheng/article/details/42840955

使用ROS强大的机器人功能，建立ROS可以识别的机器人模型是第一步，也是无法绕过去的环节。Unified Robot Description Format (URDF) 就是描述机器人硬件尺寸布局的模型语言。它是同ROS沟通的渠道，有了机器人的物理尺寸，ROS就可以有效的进行Navagation和碰撞检测(collision detect)了。

未来，该语言会从ROS独立出来，集成到Ubuntu官方包发布。必须承认，URDF 是个很难懂的语言，但有RViz的强大仿真功能，我们很容易调试它。今天我们就以经常见到智能四轮驱动小车为例介绍它的使用。

1.  软件环境

OS: Ubuntu 14.04

ROS: Indigo Full package

2.  小车形状与尺寸

具体实际的物理小车的建立请看我的文章树莓派搭建 ROS 系统下四论驱动车,并用 IPad, 手机控制。该车有两层,4个轮子,头部还有一个hc-sr04超声波和舵机。

基座(base_link): 长 27cm 宽 15cm  每层板厚度3mm 下层高度4.5cm  上层高度7.8cm

轮子 直径6.8cm 这个尺寸必须非常精确，影响测速和轨迹运算。厚度2.5cm

该车名字 SP1S (顺跑1 Smart)

3. 创建Ros package 

 $ catkin_create_pkg sp1s std_msgs rospy roscpp urdf
 $ cd sp1s/
 $ mkdir urdf

catkin_create_pkg最后一个参数是引入urdf 库。创建urdf目录存放urdf文件。

**必须已经创建好了一个workspace的情况下，使用该命令创建package.

4. 创建lauch文件启动Rviz

创建目录launch并新建文件dispaly.launch  建立好urdf文件后就使用该文件launch

 <launch>
     <arg name="model" />
     <arg name="gui" default="False" />
     <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />
     <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
     <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 urdf_tutorial)/urdf.rviz" required="true" />
 launch>

该文件可以帮助启动RViz来观察机器人。其中有三个node，一个是rviz,另外两个joint_state_publisher robot_state_publisher是必须的node。

第一个输入参数 model 就是要启动的urdf文件路径。

第二个输入参数 gui 指定是否启用关节转动控制面板窗口。

5. 创建基座base_link

ROS里面把每个零件称为link，作为基座的link统一称为base_link.在官方的所有事例文章里面到处可以看到base_link，所以最好也延续该名称。其它的link都要依附到base_link上。这里我们把下层的板作为base_link. 新建一个文件sp1s.urdf，描述代码如下：

link可以指定许多属性：

•     定义惯性

•      定义一个link的外观，大小，颜色和材质纹理贴图

• 定义碰撞检测属性

我们详细看一下的定义：

• <geometry> 定义了几何形状为一个立方体，三个参数分别为长宽高，单位是米(m). 这里我们指定下层小车板子的板的尺寸。>可以有好几个选项： 立方体  圆柱体  球体
• > 指定颜色rgb和透明度a.  它们取值范围都是[０,1] 区间。

使用下面命令启动RViz来查看我们刚刚完成的机器人模型：

 roslaunch sp1s display.launch model:=urdf/sp1s.urdf

这时只是显示了一个半透明的长方体，就是我们的主体部分。中间的黄色点代表了base_link的原点，也是整个RViz世界的原点。

6. 创建轮子

下面我们开始创建四个轮子,它们的名字分别为tyer_front_left, tyer_front_right, tyer_back_left, tyer_back_right. 尺寸大小直径6.8cm 厚度2.5cm. 先以一个轮子为例：

 <span style="font-size:18px;">xml version="1.0"?>
 <robot name="sp1s">
   <link name="base_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.27 .15 .003"/>
       geometry>
       <material name="white">
          <color rgba="1 1 1 .5"/>
     material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_front_left" type="fixed">
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_front_left"/>
   joint>
 robot>
 span>

• 定义黄色的轮子tyer_front_left
• 添加了一个关节 joint将base_link和tyer_front_left关联在一起，为了简单将joint定义为fixed类型。下一篇文章里将会改成continuous,并详细解释joint的作用
• 两个及以上的link定义到一个文件里必须使用joint关联，否则出错
  

 roslaunch sp1s display.launch model:=urdf/sp1s.urdf

可以看到黄色的轮子显示到了车身的中央，因为它的原点origin和base_link的origin重合. 选中TFcheckbox,就会显示出ＸＹＺ坐标轴，红色为X， 绿色为Y，蓝色为Z。

我们接着上文  ROS 学习系列 -- 使用urdf创建机器人模型在Rviz中3D观察 之一 link使用继续完成创建带四个可以转动轮子的双层小车。

一 建立可以转动的joint

 <span style="font-size:18px;">xml version="1.0"?>
 <robot name="sp1s">
   <link name="base_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.27 .15 .003"/>
       geometry>
       <material name="white">
          <color rgba="1 1 1 .5"/>
     material>
     visual>
   link>

   <link name="front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_front_left" type="<span style="color:#FF0000;"><strong>continuousstrong>span>">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="0.06  0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="front_left"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>
 robot>span>

1. 将joint的类型改为"continuous" 这样front_left相对base_link就是一个转动的装置

2. 转动的位置就是由 origin定义的，它同时定义了tyer_front_left的新原点，之前它的原点默认就是base_link的原点

     xyz 是相对相对parant base_link原点的偏移, 它把轮子移动到了左前方。其中：

     z = -0.011m = 6.8cm/2-4.5cm，保证轮子是在地上的

       y = 0.064m = 15cm/2 - 2.5cm / 2 (轮子厚度) + offset

     pry 是分别以 x y z 轴为中心转动的角度(弧度制) 1.57075 就是9０度。 围绕x轴旋转9０度轮子就竖了起来。

3. axis重新定义转动轴在原点的方向，它是一个矢量，只指示方向，它们必须满足 x * x + y * y + z * z = 1   原点Ｚ轴已经被旋转9０度变成水平方向，所以这里定义Ｚ轴方向为转动方向

    

二  重复添加四个轮子

其它三个轮子只有origin正负值的调整

 <span style="font-size:18px;">xml version="1.0"?>
 <robot name="sp1s">
   <link name="base_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.27 .15 .003"/>
       geometry>
       <material name="white">
          <color rgba="1 1 1 .5"/>
     material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_front_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_back_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_back_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_front_left" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="0.06  0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_front_left"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_front_right" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="0.06  -0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_front_right"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_back_left" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="-0.06  0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_back_left"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_back_right" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="-0.06  -0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_back_right"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>
 robot>
 span>

三  添加四个柱子

上下层的四个角上是高3cm的柱子. 在上面urdf的基础上再添加下面的内容添加一个左前方的柱子。

 <span style="font-size:18px;">  <link name="pillar_front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".03" radius="0.0025">cylinder>
       geometry>
       <origin xyz="0 0 0.015"/>
       <material name="silver">
           <color rgba=".86 .86 .86 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_pillar_front_left" type="fixed">
     <origin xyz="0.13  0.07  0.0015"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="pillar_front_left"/>
   joint>span>

1. 柱子不转动，所以joint的类型为 fixed 

2. joint里面定义改变了柱子的原点为 xyz="0.13 0.07 0.0015" 是相对base_link的

3. link里面也定义了原点为xyz="0 0 0.015"， 这里只是显示上的偏移，它相对于joint里面定义的原点，但并不改变joint里面定义的物理原点

4. 接下来重复加三个柱子，详见最后一段的urdf定义

四 添加上层

上层和base_link一样，它们之间通过fixed joint相连。在 Z 轴方向上偏移3cm。

 <link name="top_link">
   <visual>
     <geometry>
       <box size="0.27 .15 .003"/>
     geometry>
     <material name="white">
        <color rgba="1 1 1 .5"/>
   material>
   visual>
 link>

 <joint name="base_to_top" type="fixed">
   <origin xyz="0  0  0.03"/>
   <parent link="base_link"/>
   <child link="top_link"/>
 joint>

五  完整的urdf

 xml version="1.0"?>
 <robot name="sp1s">
   <link name="base_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.27 .15 .003"/>
       geometry>
       <material name="white">
          <color rgba="1 1 1 .5"/>
     material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_front_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_back_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="tyer_back_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".025" radius="0.034">cylinder>
       geometry>
       <material name="yellow">
           <color rgba="1 1 0 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_front_left" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="0.06  0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_front_left"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_front_right" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="0.06  -0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_front_right"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_back_left" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="-0.06  0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_back_left"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <joint name="base_to_back_right" type="continuous">
     <origin rpy="1.57075  0  0" xyz="-0.06  -0.064  -0.011"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="tyer_back_right"/>
     <axis xyz="0 0 1"/>
   joint>

   <link name="pillar_front_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".03" radius="0.0025">cylinder>
       geometry>
       <origin xyz="0 0 0.015"/>
       <material name="silver">
           <color rgba=".86 .86 .86 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="pillar_front_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".03" radius="0.0025">cylinder>
       geometry>
       <origin xyz="0 0 0.015"/>
       <material name="silver">
           <color rgba=".86 .86 .86 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="pillar_back_left">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".03" radius="0.0025">cylinder>
       geometry>
       <origin xyz="0 0 0.015"/>
       <material name="silver">
           <color rgba=".86 .86 .86 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <link name="pillar_back_right">
     <visual>
       <geometry>
        <cylinder length=".03" radius="0.0025">cylinder>
       geometry>
       <origin xyz="0 0 0.015"/>
       <material name="silver">
           <color rgba=".86 .86 .86 1"/>
       material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_pillar_front_left" type="fixed">
     <origin xyz="0.13  0.07  0.0015"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="pillar_front_left"/>
   joint>

   <joint name="base_to_pillar_front_right" type="fixed">
     <origin xyz="-0.13  0.07  0.0015"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="pillar_front_right"/>
   joint>

   <joint name="base_to_pillar_back_left" type="fixed">
     <origin xyz="0.13  -0.07  0.0015"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="pillar_back_left"/>
   joint>

   <joint name="base_to_pillar_back_right" type="fixed">
     <origin xyz="-0.13  -0.07  0.0015"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="pillar_back_right"/>
   joint>

   <link name="top_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.27 .15 .003"/>
       geometry>
       <material name="white">
          <color rgba="1 1 1 .5"/>
     material>
     visual>
   link>

   <joint name="base_to_top" type="fixed">
     <origin xyz="0  0  0.03"/>
     <parent link="base_link"/>
     <child link="top_link"/>
   joint>
 robot>