Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法详细讲解及如何从零构建一个机械臂模型（一）

Ros机械臂仿真建模基础：URDF模型进化版本xacro模型文件语法基础及如何从零构建一个机械臂模型（一）

一、机械臂仿真效果图

首先先展示一下完成后的机械臂模型效果图：

二、机器人组成结构图

• 执行机构：类比于人体的四肢，属于直接面向工作对象的机械装置；
• 驱动系统：类比于人体的肌肉和筋骨，负责驱动执行机构，将控制系统下达的命令转换为执行机构需要的信号；
• 传感系统：类比于人体的感官及神经系统，负责完成信号的输入和反馈，包括内部与外部传感系统；
• 控制系统：类比与人体的大脑，负责实现任务及信息的处理调度，输出控制命令信号。
  四类系统的协同控制关系如下图所示：
  

三、URDF基本介绍

• URDF(Unified Robot Description Format)，全称为标准化机器人描述格式；
• 属于一类XML格式的模型文件，用于描述机器人关节组成、自由度集合、位姿变换以及工作空间等相关概念；
• 类似于D-H参数的表示方法来表示机器人各个Joint及Link之间的连接关系；
• 是对机器人仿真模型搭建的必经之路。

四、xacro在UDRF上的改进

• 精简模型代码；
• 创建宏定义概念；
• 增加文件include功能；
• 提供包括常量、变量、数学计算、条件语句等内容的编程接口。

五、机械臂xacro建模基本组成部分

robot定义

• 是一个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；
• 一个完整的机器人仿真模型，由一系列的< link >和< joint >标签组成，数量取决于机器人模型的自由度数量。

<robot name="name of robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
	<link> ... </link>
	<link> ... </link>
	
	<joint> ... </joint>
	<joint> ... </joint>
</robot>

link定义

• 描述机器人某个刚体部分的外观属性和物理属性；
• 描述连杆模型的尺寸（size）、颜色（clor）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞检测（Collision）等内容；
• 每个Link在机器人模型上会成为一个独立的坐标系。

 <link name="link0">
       <!-- visual：可视化部分 -->
       <visual>
           <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
           <geometry>
               <cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
           </geometry>
           <material name="White" />
       </visual>
       <!-- collision：碰撞检测部分 -->
       <!-- collision的物理模型和坐标与visual部分保持一致 -->
       <collision>
           <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
           <geometry>
               <cylinder radius="${link0_radius}" length="${link0_length}"/>
           </geometry>
       </collision>
       <!-- 通过函数名cylinder_inertial_matrix来调用之前定义的用来计算惯性矩阵的宏 -->
       <cylinder_inertial_matrix m="${link0_mass}" r="${link0_radius}" h="${link0_length}"/>
   </link>

joint定义

• 描述两个Link之间的关系，分为以下6种类型（type）：
  

• 包含了关节运动的位置和速度限制；

• 描述了机器人关节的运行学和动力学的相关属性；

• Joint和Link的关系如下：

• 

  <!-- revolute:带上下限的旋转关节 -->
  <joint name="joint1" type="revolute">
        <parent link="link0"/>
        <child link="link1"/>
        <origin xyz="0 0 ${link0_length/2}" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />
        <axis xyz="-1 0 0" />
        <!-- 关节限制 -->
        <!-- effort：关节受力极限 -->
        <!-- velocity：最大速度 -->
        <!-- lower/upper：最大旋转角度(弧度制) -->
        <limit effort="300" velocity="1" lower="${-M_PI}" upper="${M_PI}"/>
    </joint>

机械臂所需颜色定义

 	<material name="Black">
        <color rgba="0 0 0 1"/>
    </material>
    <material name="White">
        <color rgba="1 1 1 1"/>
    </material>
    <material name="Blue">
        <color rgba="0 0 1 1"/>
    </material>
    <material name="Red">
        <color rgba="1 0 0 1"/>
    </material>

基本参数定义

   <xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>
   <!-- link1 参数定义 -->
   <xacro:property name="link0_radius" value="0.05" />
   <xacro:property name="link0_length" value="0.04" />
   <xacro:property name="link0_mass" value="1" />
    <!-- gripper参数定义 -->
   <xacro:property name="gripper_length" value="0.03" />
   <xacro:property name="gripper_width" value="0.01" />
   <xacro:property name="gripper_height" value="0.06" />
   <xacro:property name="gripper_mass" value="0.5" />

六、机械臂xacro建模常用语法

xacro常量定义及使用：

	<!-- 常量定义 -->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>

	<!-- 常量使用 -->
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 ${M_PI/2} 0" />

数学公式计算

	 <origin xyz="${（motor_length + wheel_length）/ 2} 0 0" rpy="0 0 0" />

宏定义及宏调用

	<!-- 定义宏macro，宏里定义的函数名为cylinder_inertial_matrix，参数为"m r h",关于惯性矩阵的宏-->
    <xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h">
        <inertial>
            <mass value="${m}" />
            <!-- 圆柱体惯性矩阵的标准计算公式 -->
            <inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
                iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"
                izz="${m*r*r/2}" /> 
        </inertial>
    </xacro:macro>

	 <!-- 通过函数名cylinder_inertial_matrix来调用之前定义的用来计算惯性矩阵的宏 -->
     <cylinder_inertial_matrix m="${link0_mass}" r="${link0_radius}" h="${link0_length}"/>

文件包含

<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" />

其中find关键词后加的是功能包的名字（mbot_description）

七、更多示例

参考ROS关于URDF的官方文档，可全面查询URDF及xacro的相关语法及建模方法的详细介绍。