(无人机方向)ros小白学习之路(十)ROS 机器人系统仿真_URDF语法详解

系列文章目录

一:ROS 机器人系统仿真概述
二:ROS 机器人系统仿真_URDF集成Rviz基本流程
三:ROS 机器人系统仿真_URDF语法详解

本章会介绍:

• 如何创建并显示机器人模型；
• 如何搭建仿真环境；
• 如何实现机器人模型与仿真环境的交互。

本章预期的学习目标如下:

• 能够独立使用URDF创建机器人模型，并在Rviz和Gazebo中分别显示；
• 能够使用Gazebo搭建仿真环境；
• 能够使用机器人模型中的传感器(雷达、摄像头、编码器…)获取仿真环境数据。

---

前言

(无人机方向)ros小白学习之路(十)ROS 机器人系统仿真_URDF语法详解
参考视频:视频
参考手册:手册

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) 与 关节(joint标签)，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
• link 连杆标签
• joint 关节标签
• gazebo 集成gazebo需要使用的标签

[1]URDF语法详解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

[2] URDF语法详解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://packagename/path/文件)

  • origin 设置偏移量与倾斜弧度

    • 属性1: xyz=x偏移 y偏移 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

3.案例

需求:分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件

    <link name="base_link">
        <visual>
            <!-- 形状 -->
            <geometry>
                <!-- 长方体的长宽高 -->
                <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
                <!-- 圆柱，半径和长度 -->
                <!-- <cylinder radius="0.5" length="0.1" /> -->
                <!-- 球体，半径-->
                <!-- <sphere radius="0.3" /> -->

            </geometry>
            <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
            <material name="black">
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

[3] URDF语法详解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…,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。

1.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

2.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。

3.案例

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。

<!-- 
    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

 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 摄像头 -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

出现报错

原因:rviz中显示URDF时,必须发布不同部件直接坐标系关系

解决:ros职工提供了相关节点话题
状态发布节点:

    
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

最后一部 添加控制运动的节点

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_rviz_demo)/urdf/urdf/urdf03_joint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_rviz_demo)/config/helloworld.rviz" /> 

    
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

launch>

[4]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

<robot name="mycar">
    
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            geometry>
        visual>
    link>

    
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            material>
        visual>
    link>

    
    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link" />
        <origin xyz="0 0 0.05" />
    joint>

    
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            material>
        visual>
    link>
    
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    joint>

robot>

注意::设置关节偏移量是半个base_link的高度

URDF工具

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

2.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