ROS URDF语法-实现小车模型构建-URDF工具使用（十六）

目录

简介  

 相关组件

URDF

rviz

 gazebo

总体说明:

素材下载 

URDF集成Rviz基本流程

实现流程：

创建功能包，导入依赖

编写 URDF 文件

在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

 在 Rviz 中显示机器人模型

 优化 rviz 启动

URDF语法详解

URDF语法详解01_robot

 URDF语法详解02_link

案例

 

 

 URDF语法详解03_joint

属性

子标签

案例

urdf编写 

 launch编写

修改因python2.7的编码产生的报错 

 运动关节

 base_footprint优化urdf

遇到问题以及解决

urdf练习 

新建urdf以及launch文件

底盘搭建

添加驱动轮

添加万向轮

  URDF工具

 简介

1.check_urdf 语法检查

 urdf_to_graphiz 结构查看

---

简介  

机器人操作系统学习、开发与测试过程中，会遇到诸多问题，比如:

场景1:机器人一般价格不菲，学习ROS要购买一台机器人吗？

场景2:机器人与之交互的外界环境具有多样性，如何实现复杂的环境设计？（不同恶劣天气，不能等着恶劣天气出现再去测试吧）

场景3:测试时，直接将未经验证的程序部署到实体机器人运行，安全吗？（无人驾驶一开始也不能直接扔上路测试）

...

在诸如此类的场景中，ROS中的仿真就显得尤为重要了。

1.概念

机器人系统仿真：是通过计算机对实体机器人系统进行模拟的技术，在 ROS 中，仿真实现涉及的内容主要有三:

1. 对机器人建模(URDF)、
2. 创建仿真环境(Gazebo)
3. 感知环境(Rviz)等系统性实现。

2.作用

2.1仿真优势:

仿真在机器人系统研发过程中占有举足轻重的地位，在研发与测试中较之于实体机器人实现，仿真有如下几点的显著优势:

1.低成本:当前机器人成本居高不下，动辄几十万，仿真可以大大降低成本，减小风险

2.高效:搭建的环境更为多样且灵活，可以提高测试效率以及测试覆盖率

3.高安全性:仿真环境下，无需考虑耗损问题

2.2仿真缺陷:

机器人在仿真环境与实际环境下的表现差异较大，换言之，仿真并不能完全做到模拟真实的物理世界，存在一些"失真"的情况，原因:

1.仿真器所使用的物理引擎目前还不能够完全精确模拟真实世界的物理情况

2.仿真器构建的是关节驱动器（电机&齿轮箱）、传感器与信号通信的绝对理想情况，目前不支持模拟实际硬件缺陷或者一些临界状态等情形

 相关组件

URDF

URDF是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度.....,该文件可以被 C++ 内置的解释器转换成可视化的机器人模型，是 ROS 中实现机器人仿真的重要组件

rviz

RViz 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的主要目的是以三维方式显示ROS消息，可以将 数据进行可视化表达。例如:可以显示机器人模型，可以无需编程就能表达激光测距仪（LRF）传感器中的传感 器到障碍物的距离，RealSense、Kinect或Xtion等三维距离传感器的点云数据（PCD， Point Cloud Data），从相机获取的图像值等

以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，RViz会默认被安装。

运行使用命令rviz或rosrun rviz rviz

如果rviz没有安装，请调用如下命令自行安装:

sudo apt install ros-[ROS_DISTRO]-rviz

 gazebo

Gazebo是一款3D动态模拟器，用于显示机器人模型并创建仿真环境,能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，

Gazebo提供高保真度的物理模拟，

其提供一整套传感器模型，

以及对用户和程序非常友好的交互方式。

以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，gzebo会默认被安装。

运行使用命令gazebo或rosrun gazebo_ros gazebo

注意1:在 Ubuntu20.04 与 ROS Noetic 环境下，gazebo 启动异常以及解决

• 问题1:VMware: vmw_ioctl_command error Invalid argument(无效的参数)

  解决:

  echo "export SVGA_VGPU10=0" >> ~/.bashrc

  source .bashrc

• 问题2:[Err] [REST.cc:205] Error in REST request

  解决:sudo gedit ~/.ignition/fuel/config.yaml

  然后将url : https://api.ignitionfuel.org使用 # 注释

  再添加url: https://api.ignitionrobotics.org

• 问题3:启动时抛出异常:[gazebo-2] process has died [pid xxx, exit code 255, cmd.....

  解决:killall gzserver和killall gzclient

注意2:如果 gazebo没有安装，请自行安装:

1.添加源:

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" 
>
 /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'

wget http://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -

2.安装：

sudo apt update

sudo apt install gazebo11 
sudo apt install libgazebo11-dev

总体说明:

机器人的系统仿真是一种集成实现，主要包含三部分:

• URDF 用于创建机器人模型

• Gzebo 用于搭建仿真环境

• Rviz 图形化的显示机器人各种传感器感知到的环境信息

三者应用中，只是创建 URDF 意义不大，一般需要结合 Gazebo 或 Rviz 使用，在 Gazebo 或 Rviz 中可以将 URDF 文件解析为图形化的机器人模型，一般的使用组合为:

• 如果非仿真环境，那么使用 URDF 结合 Rviz 直接显示感知的真实环境信息

• 如果是仿真环境，那么需要使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息

学习安排:

• 先介绍 URDF 与 Rviz 集成使用，在 Rviz 中只是显示机器人模型，主要用于学习 URDF 语法

• 再介绍 URDF 与 Gazebo 集成，主要学习 URDF 仿真相关语法以及仿真环境搭建

• 最后集成 URDF 与 Gazebo 与 Rviz，实现综合应用

素材下载 

素材链接:

• GitHub - zx595306686/sim_demo

 打开主目录

 

 然后复制链接

输入终端

https://github.com/zx595306686/sim_demo.git

如果下载有问题把https://换成 git：// 

下载完成 

URDF集成Rviz基本流程

URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。

需求描述:

在 Rviz 中显示一个盒状机器人

实现流程：

1. 准备:新建功能包，导入依赖

2. 核心:编写 urdf 文件

3. 核心:在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz

4. 在 Rviz 中显示机器人模型

创建功能包，导入依赖

创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包:urdf与xacro

mkdir -p 自定义空间名称/src
cd 自定义空间名称
catkin_make 

 

在当前功能包下，再新建几个目录:

urdf: 存储 urdf 文件的目录

meshes:机器人模型渲染文件(暂不使用)

config: 配置文件

launch: 存储 launch 启动文件

 

 

编写 URDF 文件

新建一个子级文件夹:urdf(可选)，文件夹中添加一个.urdf文件,复制如下内容:

在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

在launch目录下，新建一个 launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析urdf文件，并显示机器人模型，

核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是:robot_description,示例代码如下:

 

然后启动 

 

 在 Rviz 中显示机器人模型

出现报错，是因为参考坐标系不对 

 

 在urdf文件里我们给刚体起了个名字

 把map改成对应的即可

 然后也可以加个坐标系

效果如下

 

 优化 rviz 启动

重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:

首先，将当前配置保存进config目录

 

 

 然后，launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数:args,值设置为-d 配置文件路径

 

 然后再重新启动

 就是配置好的

点击右侧工具栏Invert Z axis就是反转坐标系 

 

 按住滚轮：移动视角

按住右键拖拉：放大缩小

左键拖拉也是移动视角

URDF语法详解

URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单，可以主要简化为两部分:

连杆(link标签)：刚体部分的统称，外壳，车轮，支架等

关节(joint标签)：连杆之间的连接（不可见）

接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:

• robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签：保持launch文件完整性
• link 连杆标签
• joint 关节标签
• gazebo 集成gazebo需要使用的标签

关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，但是该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置

另请参考:

• urdf/XML - ROS Wiki

URDF语法详解01_robot

robot

urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称

1.属性

name: 指定机器人模型的名称

2.子标签

其他标签都是子级标签

 URDF语法详解02_link

 urdf 中的 link 标签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: 机器人底座、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

1.属性

• name ---> 为连杆命名

2.子标签

• visual ---> 描述外观(对应的数据是可视的)

  • geometry 设置连杆的形状

    • 标签1: box(盒状)

      • 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)

    • 标签2: cylinder(圆柱)

      • 属性:radius=半径 length=高度

    • 标签3: sphere(球体)

      • 属性:radius=半径

    • 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)

      • 属性: filename=资源路径(格式:package:////文件)

  • origin 设置偏移量与倾斜弧度

    • 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移

    • 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)

  • metrial 设置材料属性(颜色)

    • 属性: name

    • 标签: color

      • 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])

• collision ---> 连杆的碰撞属性

• Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

在此，只演示visual使用。

案例

需求:分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件 

复制以下代码 

 然后编码launch文件（因为urdf需要通过rviz或者gazebo启动）

然后运行 

 

以下分别为

长方体

圆柱

球体 

对应修改urdf里的即可

 标签

复制对应的mesh复制到工作空间下（不复制也可以，只是路径设置比较麻烦）

 

完成复制 

 filename="package://" 里的package://就类似于https：//

然后运行

 

xyz设置机器人再 x y z上的偏移量

rpy设置倾斜角度 x（翻滚） y（俯仰） z（偏航）

偏航角度(3.14=180度 1.57=90度)

 更改代码如下下

小车翻滚并且移动 

 

 

r

g

b

a：透明度

四者取值介于0-1

 

 更改代码后

总结：link都是基于基础坐标系创建的

 URDF语法详解03_joint

urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，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，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制....,

parent link 与 child link

比如车轮中

底盘是parent link

车轮是child link

比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。

joint标签对应的数据在模型中是不可见的

属性

• name ---> 为关节命名

• type ---> 关节运动形式

  • 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

子标签

• parent(必需的)

  parent link的名字是一个强制的属性：

  • link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• child(必需的)

  child link的名字是一个强制的属性：

  • link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• origin

  • 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。

• axis

  • 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。（沿着哪个转哪个设置1即可，0就是不绕那个转）

案例

urdf编写 

需求:创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。

 launch编写

 这样运行会有问题

 设置的child link在车子里面

并且还有以下报错（没有从camera 到 base link的坐标变换）

 原因：

rviz中显示urdf时，必须发布不同部件之间的坐标关系

解决：

ros中提供关于机器人模型显示的坐标发布相关节点

PS:

1.状态发布节点在此是必须的:

2.关节运动控制节点(可选)，会生成关节控制的UI，用于测试关节运动是否正常。

    
    
 
  
 修改后运行
 
  
 
  
修改因python2.7的编码产生的报错 
 
  
 出现这个报错是因为python2.7的编码问题
 
  
david@david-VirtualBox:~$ sudo gedit /usr/lib/python2.7/sitecustomize.py
 
  
 
  
 清除以下内容
 
  
# install the apport exception handler if available
try:
    import apport_python_hook
except ImportError:
    pass
else:
    apport_python_hook.install()
 
  
改为
 
  
 
  
 然后刷新环境变量重新运行
 
  
成功
 
  
 
  
 (5条消息) ERROR: cannot launch node of type [joint_state_publisher_gui/joint_state_publisher_gui]: joint_state_放羊Wa的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_45392081/article/details/118075798
 
  
对应报错其他问题进行修改
 
  
 
 
  
 为了保证摄像头摆在车子的顶部平面
 
  
 
  
 运动关节
 
  
 
  
关节运动控制节点(可选)，会生成关节控制的UI，用于测试关节运动是否正常。
 
  
    
    
 
  
就可以通过ros的内置gui来控制旋转 
 
  
 
 
  
加上tf看得更清楚 
 
  
 
 
  
去掉base link看得更清楚 
 
  
 
 
  
 
  
 base_footprint优化urdf
 
  
前面实现的机器人模型是半沉到地下的，
 
  
因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，
 
  
 
  
可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了。这个初始 link 一般称之为 base_footprint 
 
  
 
  
复制以下代码
 
  
 
  


    
    
        
            
                
            
        
    

    
    
        
            
                
            
            
            
                
            
        
    

    
    
        
        
        
    

    
    
        
            
                
            
            
            
                
            
        
    
    
    
        
        
        
        
    


 
  
 
  
新建一个link 
 
  
    
        
            
                
            
        
    
 
  
然后构建一个joint，连接base_link与新建的link 
 
  
    
    
        
        
        
    
 
  
 然后让关节上浮底盘一半高度即可
 
  
这样就不会出现底盘下沉
 
  
然后对应改名
 
  
 
  
 然后运行
 
  
修改参考坐标系
 
  
左边菜单
 
  
 
  
 就不会下沉了
 
  
 
  
小结：实际上就是让原来的urdf通过关节连接一个新的很小很小的link，然后上升底盘一半高度，视觉上底盘就不会一半下沉了
 
  
 
  
遇到问题以及解决
 
  
问题1:
 
  
命令行输出如下错误提示
 
  
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128)
[joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log].
log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log
Copy
 
  
rviz中提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常
 
  
原因:编码问题导致的
 
  
解决:去除URDF中的中文注释
 
  
问题2:[ERROR] [1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package
 
  
解决:sudo apt install ros-noetic-joint-state-publisher-gui
 
  
 
  
urdf练习 
 
  
 
 
  
需求描述:
 
  
创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)
 
  
 
  
实现流程:
 
  
创建机器人模型可以分步骤实现
 
  
 
   
 
新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
 
 
   
 
搭建底盘
 
 
   
 
在底盘上添加两个驱动轮
 
 
   
 
在底盘上添加两个万向轮
 
 
  
 
  
新建urdf以及launch文件
 
  
urdf 文件:基本实现
 
  

    
    
        
            
                
            
        
    

    


    


    

 
  
 
  
launch 文件:
 
  

    
    

    
    

    
    
    

    
    

 
  
 
 
  
 
 
  
 
 
  
底盘搭建
 
  

    
        
            
                
            
            
            
                
            
        
    

    
        
        
        
    
 
  
 
 
  
 这里的0.055=离地0.015+底盘一半高0.04
 
  
 
  
 
  
添加驱动轮
 
  

    
    
        
            
                
            
            
            
                
            
        

    

    
        
        
        
        
    


    
        
            
                
            
            
            
                
            
        

    

    
        
        
        
        
    
 
  
 
 
  
 z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)
 
  
这一步是为了让 轮胎的最高点z坐标 跟 底盘的坐标原点z 在同一高度 
 
  
 
 
  
 
 
  
 
 
  
添加万向轮
 
  
 
 
  

    
    
        
            
                
            
            
            
                
            
        
    

    
        
        
        
        
    

    
        
            
                
            
            
            
                
            
        
    

    
        
        
        
        
    
 
  
 
 
  
x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)
 y = 0
 z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475  
 
  
 
 
  
 
 
  
万向轮实际上就是标签设置为1 1 1即可 
 
  
 
 
  
 
 
  
 实际上z就是万向轮的link中心距离底盘link中心的距离（在高度z上）
 
  
 
 
  
 
  
  URDF工具
 
  
 简介
 
  
在 ROS 中，提供了一些工具来方便 URDF 文件的编写，比如:
 
  
 
   
 
check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题
 
 
   
 
urdf_to_graphiz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系
 
 
  
 
  
当然，要使用工具之前，首先需要安装，安装命令:sudo apt install liburdfdom-tools
 
  
1.check_urdf 语法检查
 
  
进入urdf文件所属目录，调用:check_urdf urdf文件，如果不抛出异常，说明文件合法,否则非法
 
  
 
 
  
 
 
  
 
 
  
 
 
  
 urdf_to_graphiz 结构查看
 
  
进入urdf文件所属目录，调用:urdf_to_graphiz urdf文件，当前目录下会生成 pdf 文件
 
  
 
 
  
 
 
  
 
 
  
这是打开pdf 
 
  
evince mycar.pdf