ROS学习笔记11～URDF

一、URDF简介

URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）是ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式，ROS同时也提供URDF文件的C+解析器，可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型。

1、< link >标签

< link >标签用于描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，包括尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞参数（collision properties）等。

2、< joint >标签

< joint >标签用于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。

3、< robot >标签

< robot >是完整机器人模型的最顶层标签，< link >和< joint >标签都必须包含在< robot >标签内。

4、< gazebo >标签

< gazebo >标签用于描述机器人模型在Gazebo中仿真所需要的参数，包括机器人材料的属性、Gazebo插件等。该标签不是机器人模型必需的部分，只有在Gazebo仿真时才需加入。

二、创建机器人URDF模型

1、创建功能包mrobot_description

$  catkin_create_pkg mrobot_description

mrobot_description功能包中分别创建 urdf、meshes、launch和config 四个文件夹。
（1）、urdf：用于存放机器人模型的URDF或xacro文件。
（2）、meshes：用于放置URDF中引用的模型渲染文件。
（3）、launch：用于保存相关启动文件。
（4）、config：用于保存rviz的配置文件。

创建结果如斜土所示：

2、创建URDF模型

（1） 定义机器人模型及名称

首先需要声明该文件使用XML描述，然后使用根标签定义一个机器人模型，并定义该机器人模型的名称是“mrobot_chassis”。根标签内的内容即为对机器人模型的详细定义。

（2） 描述机器人底盘 link

这一段代码用来描述机器人的底盘link，< visual >标签用来定义底盘的外观属性，在显示和仿真中，rviz或Gazebo会按照这里的描述将机器人模型呈现出来。我们将机器人底盘抽象成一个圆柱结构，使用< cylinde r>标签定义这个圆柱的半径和高；然后声明这个底盘圆柱在空间内的三维坐标位置和旋转姿态，底盘中心位于界面的中心点，所以使用< origin >设置起点坐标为界面的中心坐标。此外，使用< material >标签设置机器人底盘的颜色一黄色，其中的< color >便是黄色的RGBA值。

（3） 定义第一个关节 joint

这一段代码定义了第一个关节joint，用来连接机器人底盘和左边驱动电机，joint的类型是fixed类型，这种类型的joint是固定的，不允许关节发生运动。< origin >标签定义了 joint 的起点，我们将起点设置在需要安装电机的底盘位置。

（4）描述左侧电机模型

上面这一段代码描述了左侧电机的模型。电机的外形抽象成圆柱体，圆柱体的半径为0.02m，高为0.08m。下边的描述和机器人底盘的类似，定义了电机中心的起点位置和外观颜色。

之前定义了一个joint将电机连接到底盘上，电机的坐标位置是相对于joint计算的。在joint的位置坐标设置中，我们已经将joint放置到了安装电机的底盘位置，所以在电机模型的坐标设置中，不需要位置偏移，放置到（0，0，0）坐标即可。由于圆柱体默认是垂直地面创建的，需要把圆柱体围绕x轴旋转90°（使用弧度表示大约为0.75），才能成为电机的模样。

（5） 定义电机和轮子之间的 joint

接着需要定义电机和轮子之间的joint。joint的类型是 continuous 型，这种类型的 joint 可以围绕一个轴进行旋转，很适合轮子这种模型。< origin >标签定义了joint的起点，将起点设置到安装轮子的位置，即电机的一端。< axis >标签定义该 joint 的旋转轴是正y轴，轮子在运动时就会围绕y轴旋转。

机器人底盘模型的其他部分都采用类似的方式描述，这里不再赘述。

整个URDF模型全部代码如下：

所有代码放入文件 mrobot_chassis.urdf

查看URDF模型整体结构

$  urdf_to_graphiz mrobot_chassis.urdf

从上图可以看出，该机器人底盘模型有 6 个 link 和 5 个 joint。6个link包括1个机器人底板、2个电机、2个驱动轮和1个前向轮；5个joint负责将驱动轮、前向轮、电机安装到底板上，并设置相应的连接方式。

三、在rviz中显示模型

在功能包mrobot_description中launch文件夹下建立启动文件 display_mrobot_chassis_urdf.launch 。原码如下：

打开终端运行该 launch 文件

$ roslaunch mrobot_description display_mrobot_chassis_urdf.launch 

结果如下图所示：

运行成功后，不仅启动了rviz，而且出现了一个名为 “joint state publisher” 的 UI。这是因为我们在启动文件中启动了 joint state_publisher 节点，该节点可以发布每个 joint（除fixed类型）的状态，而且可以通过 UI 对 joint 进行控制。所以在控制界面中用鼠标滑动控制条，rviz 中对应的轮子就会开始转动。
除了joint_state_publisher，launch文件还会启动一个名为“robot state publisher”的节点，这两个节点的名称相似，所以很多人会把两者混淆，分不清楚它们各自的功能。与 joint_state publisher 节点不同，robot_state publisher 节点的功能是将机器人各个link、joint之间的关系，通过TF的形式整理成三维姿态信息发布出去。在rviz中，可以选择添加TF插件来显示各部分的坐标系。