机器人建模与仿真（一）——统一机器人描述格式——URDF

机器人建模与仿真（一）——统一机器人描述格式——URDF

总述

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。
在使用URDF文件构建机器人模型之前，要了解URDF文件中常用的XML标签。

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。
机器人的link结构一般如图所示，其基本的URDF描述语法如下：

<link name="my_link">
   <inertial>
     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
     <mass value="1"/>
     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
   </inertial>

   <visual>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
     <geometry>
       <box size="1 1 1" />
     </geometry>
     <material name="Cyan">
       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
     </material>
   </visual>

   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
     </geometry>
   </collision>
 </link>

包括3个子标签
< inertial >：描述link的惯性参数，主要用到机器人动力学的运算部分；
< visual >：描述机器人link部分的外观参数, 尺寸、颜色、形状等的外观信息；
< collision >：描述link的碰撞属性；
link还有一个比较关键的部分，就是坐标系
Link origin 是起始坐标，整个link创建的时候都是相对 Link origin坐标系创建的；

2、< joint >标签

< joint >标签就是用来连接两个具体的link部分的；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。根据关节的运动形式，可以将其分为六种类型。

与人的关节一样，机器人关节的主要作用是连接两个刚体link，这两个link分别称为parent link和child link，如图所示。
蓝色关节表示出一个运动的轴，蓝色关节是可以围绕蓝色的轴旋转的，也就是child这个link是可以围绕joint上下旋转。
joint是连接两个link，需要分一个主次关系，主关节是parent link，子关节是child link， 在xml形式的描述中这个两个 link是必须存在的。

< joint >标签的描述语法如下：

 <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>

其中必须指定joint的parent link和child link，还可以设置关节的其他属性。
子标签：
< calibration >：关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置；
< dynamics >：描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到；
< limit >：描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置、速度限制、力矩限制等；
< mimic >：描述该关节与已有关节的关系；
：描述安全控制器参数。保护机器人关节的运动；

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。如图所示，一个完整的机器人模型由一系列< link >和< joint >组成。

< robot >标签内可以设置机器人的名称，其基本语法如下：

<robot name="pr2">
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>
  <link> ... </link>

  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
  <joint>  ....  </joint>
</robot>

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。
该标签的基本语法如下：

<gazebo reference="link_1">
    <material>Gz=azebo/Black</material>
</gazebo>