【ROS进阶篇】第八讲 URDF文件的语法详解
【ROS进阶篇】第八讲 URDF文件的语法详解
文章目录
- 【ROS进阶篇】第八讲 URDF文件的语法详解
- 前言
-
- 一、URDF的基本概念
- 二、link标签
-
- 1. 标签作用
- 2. 子标签
- 三、joint标签
-
- 1. 标签作用
- 2. 属性
- 3. 子标签
- 总结
前言
在上一节博客中我们系统的学习了在ROS环境下机器人3D模型建立的方法，以及通过URDF、RVIZ、Gazebo等组件实现仿真的基本流程。本节博客则将会主要从建立机器人模型出发，介绍URDF文件的具体原理。
一、URDF的基本概念
- 概念：全称（United Robotics Description Format）统一机器人描述格式，是一个XML语法框架下用来描述机器人的语言格式，使用方法由以下三种：
- 通过URDF对机器人建模然后放到ROS里面进行仿真与分析
- 把一个URDF文件转换成simscape模型，在Simulink里面进行仿真分析或者控制器设计
- 把simscape模型转化成urdf格式
- 核心思想：标签化、XML树状结构、连杆层次结构
标签化
正如机器人的构成那样，URDF的标签主要可以分为连杆，即link标签和关节、joint标签，而在实际的编程中包含以下多种标签：
- robot根标签：类似于HTML中的HTML、launch文件中的launch标签，标签内部使用name属性设置名称
- link连杆标签：内部包含连杆的质量、惯量属性等
- joint标签：内部包含颜色、关节种类等
- gazebo标签：在配置仿真环境，类似于机器人材料属性等时才会使用，这里暂时不予深入介绍
- sensor标签：用于描述传感器等
- transmission标签：用于描述关节与驱动器之间的关系
7.model_state标签：用于描述模型当前状态- model标签：用于描述模型运动学参数和动态参数
<robot>
<link>
...
link>
<link>
...
link>
<joint>
...
joint>
robot>
XML树状结构
正如我们先前提到的link和joint属于robot下的子分量，而对于inertial、visual等又属于link下的子标签，geometry、material属于visual下的子标签，通过循环往复，我们就通过URDF实现了对于机器人的基本组成部分以及各部分基本信息的充分定义，再加上对于这些分量的描述，类似于name属性、color属性等，就可以建立起机器人模型的各模块外表和物理属性，结构如下：
<robot name = "linkage">
<link name = "root link">
<inertial>
...
inertial>
<visual>
<geometry>
...
geometry>
<material>
<color rgba = "1 0 0 1" />
material>
visual>
link>
...
robot>
连杆层次结构
对于URDF文件来说，各个link通过joint连接，而joint通过父子关系将上下的link连接起来，效果示意如图：
要注意的是：URDF存在着一定的拓扑结构限制，即URDF不能定义一个闭环的连杆模型，对于URDF用法就是：
- 一个child 只能有一个parent link
- 只有root link（也就是connectivity graph的起源）可以有多个分支
- 一个模型只能由一个root link
如上图所示，右侧的模型是不能使用URDF文件进行描述的，对于左侧的模型，对应的URDF文件如下：
<parent> and <child> Joint Elements
<robot name = "linkage">
<joint name = "joint A ... >
" link A" />
<child link = "link B" />
joint>
<joint name = "joint B ... >
" link A" />
<child link = "link C" />
joint>
<joint name = "joint C ... >
" link C" />
<child link = "link D" />
joint>
robot>
二、link标签
1. 标签作用
- 用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 底座、轮子、激光雷达、摄像头…每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性
2. 子标签
1）inertial：连杆的惯性特性
\qquad ① origin：定义相对于连杆坐标系的惯性系参考坐标，此坐标原点须为连杆重心，坐标轴可与惯性主轴不平行
\qquad\qquad 1° xyz：表示 x , y , z 方向的偏置，单位为米，默认零向量。
\qquad\qquad 2° rpy：表示坐标轴在RPY方向的偏置，单位为弧度 。
\qquad ② mass：定义连杆的质量属性
\qquad ③ inertia：表示一个3*3旋转惯性矩阵
2）visual：连杆的可视化特性，用于指定连杆显示的形状
\qquad ① namel：连杆几何形状的名称
\qquad ② origin：相对于连杆坐标系的几何形状坐标系（子元素同上）
\qquad ③ geometry：可视化对象的形状
\qquad\qquad 1° box：长方体，元素包含长、宽、高，原点在中心
\qquad\qquad 2° cylinder：圆柱体，元素包含半径、长度，原点在中心
\qquad\qquad 3° sphere：球体，元素包含半径，原点在球心
\qquad\qquad 4° mesh：网格，由本地文件决定，同时提高scale界定边界
\qquad ④ material：可视化组件的材料，可在link标签外定义（引用名称即可）
\qquad\qquad 1° color：颜色，rgba属性
\qquad\qquad 2° texture：材料属性，由文件决定
3）collision：连杆的碰撞特性，由其定义的几何图形集构成，常用于简化计算
\qquad ① name：连杆几何形状的名称
\qquad ② origin：相对于连杆坐标系的碰撞组件坐标系（子元素同上）
\qquad ③ geometry：可视化对象的形状（子元素同上）
- 实例如下：
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="black">
<color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
material>
visual>
<collision>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.065 0 0.0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://robot_description/meshes/base_link_simple.DAE"/>
geometry>
collision>
<collision_checking>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.065 0 0.0"/>
<geometry>
<cylinder length="0.7" radius="0.27"/>
geometry>
collision_checking>
<inertial>
...
inertial>
link>
三、joint标签
1. 标签作用
- 用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，指定关节运动的安全极限，不同的关节有不同的运动形式.
注意：机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以"关节"的形式相连接，joint标签对应的数据在模型中是不可见的
2. 属性
- name：关节名称
- type：关节运动形式，具体如下
- continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
- revolute: 旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制
- prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
- planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
- 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
3. 子标签
1）origin：常用于调整实际模型与理论模型的误差
\qquad 含义：表示从parent link到child link的变换，joint位于child link的原点，修改参数可调整连杆位置（子元素同上）
2）parent：强制属性
\qquad link：parent link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
3）child：强制属性
\qquad link：child link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
4）axis：旋转轴，位于joint的坐标系中
\qquad 含义：prismatic joint移动的轴，是planar joint的标准平面。这个轴在joint坐标系中被指定。修改该参数可以调整关节的旋转所绕着的轴，常用于调整旋转方向，若模型旋向与实际相反，只需乘-1即可
\qquad 子元素：xyz，代表轴向量的x , y , z分量，为标准化的向量。
5）calibration：参考点，用于矫正joint绝对位置
\qquad ① rising：正向运动时触发上升沿
\qquad ② falling：正向运动时触发下降沿
6）dynamics：指定物理、建模性能，仿真时重要
\qquad ① damping：阻尼值，默认为0
\qquad ② friction：摩擦力值，默认为0
7）limit：关节运动学约束
\qquad ① lower：指定关节运动范围下界的属性，默认为0
\qquad ② upper：指定关节运动范围上界的属性，默认为0
\qquad ③ effort：指定关节运行时的最大力
\qquad ④ velocity：指定关节运行最大速度
8）mimic：指定已定义joint模仿原有关节
\qquad ① joint：需要模仿的关节名称，关节值计算公式如下：value = multiplier * other_joint_value + offset.
\qquad ② multiplier：公式中的乘数因子
\qquad ③ offset：公式中的偏移项
9）safety_controller：安全控制限制
\qquad ① soft_lower_limit：指定安全控制边界的下界，为安全控制的起始限制点
\qquad ② soft_upper_limit：指定安全控制边界的上界，为安全控制的起始限制点
\qquad ③ k_position：指定位置与速度之间的关系
\qquad ④ k_velocity：指定力与速度之间的关系
- 实例如下：
<joint name="my_joint" type="floating">
<origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
<parent link="link1"/>
<child link="link2"/>
<calibration rising="0.0"/>
<dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
<safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
joint>
总结
- 声明：本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程，本篇博客主要针对于URDF的基本语法详解，从各个标签及其下属属性和子标签进行分析研究，在下节博客将会推出对应的URDF实例练习，敬请期待
