【ros学习】13.URDF机器人建模详解

一、URDF简介

URDF（Unified Robot Description Format）统一机器人描述格式，URDF使用XML格式描述机器人文件。URDF语法规范，参考链接：http://wiki.ros.org/urdf/XML，URDF组件，是由不同的功能包和组件组成：



本文不作具体的构建步骤解析与各部分的教学，仅解释urdf文件。如需教学资料，请参考以下链接：
1.统一机器人描述格式-中国大学慕课教程
2.深蓝学院-ROS理论与实践
3.【古月居】古月 · ROS入门21讲
4.找我

二、mbot机器人解析

话不多说，先上代码

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">

    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
            </geometry>
            <material name="yellow">
                <color rgba="1 0.4 0 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="left_wheel_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <link name="left_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="right_wheel_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <link name="right_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="front_caster_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="front_caster_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <link name="front_caster_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <sphere radius="0.015" />
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 0.95"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="back_caster_joint" type="continuous">
        <origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="back_caster_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <link name="back_caster_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <sphere radius="0.015" />
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 0.95"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

</robot>

这是一个最简单的机器人模型，根标签代表一个创建一个名为mbot的机器人，主体是俩个标签，joint和link标签，joint代表关节,link代表肢节。

joint:关节

1. origin:
   - xyz 代表孩子肢节相对与父肢节坐标系的相对位移，x相对父坐标系x轴原点前后移动，以此类推yz。
   - rpy 代表该关节的横滚角-roll、俯仰角-pitch、偏航角-yaw
   一般定义载体的右、前、上三个方向构成右手系，绕向前的轴[x轴]旋转就是横滚角，绕向右的轴[y轴]旋转就是俯仰角，绕向上的轴[z轴]旋转就是航向角
   
   逆时针为正，比如rpy=“1.5705 0 0”,代表该关节及关节上绑定的其他关节作为一个整体绕关节的x轴逆时针旋转90度，为什么是1.5705呢？因为是用弧度来表示的，一度等于0.01745弧度，不过也取决于你的π的精度，比如3.14159/180=0.01745结果就是一弧度的大小,
2. parent：
   - 父肢节
3. child:
   - 子肢节
4. axis：
   - 旋转轴，在关节框架中指定的关节轴。这是旋转关节的旋转轴，棱柱形关节的平移轴，平面关节的表面法线。轴在参考关节框架中指定。固定关节和浮动关节不使用轴字段。
5. joint的属性type：关节的类型
   -

link:肢节

1. visual：视觉，描述机器人肢节部分的外观
   - origin 视觉元素的参考框架相对于肢节的参考框架。和上面关节的 origin一样的意思。
   - geometry （必需）视觉对象的形状。这可以是一个如下：

<box> 盒子，长方体、正方体、立方体
<box size="${x} ${y} ${z}"/>
size属性包含盒子的三个边长。盒子的原点在中间。

<cylinder> 气缸，其实就是个圆柱体
<cylinder radius="0.02" length="0.3"/>
指定半径和长度。圆柱体的原点位于其中心。

<sphere> 球体
<sphere radius="0.05" />
指定半径。球体的原点位于其中心。

<mesh>  网格，导入通过其他建模软件建的dae文件
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
由filename指定的trimesh元素，以及用于缩放网格的axis-aligned-bounding-box的可选比例。任何几何格式都是可以接受的，
但是特定的应用程序兼容性取决于实现。最佳的纹理和颜色支持的推荐格式是Collada .dae文件。不能在引用相同模型的机器之间传输网格文件。
它必须是本地文件。

• material：材料
  视觉元素的材料。可以在顶级“机器人”元素中指定“链接”对象之外的材料元素。然后， 您可以从链接元素中按名称引用材料。

<color> （可选）
<color rgba="1 0.27 0 1"/>
rgba由一组代表红色/绿色/蓝色/ alpha的四个数字指定的材料的颜色，
每个数字的范围为[0,1]。
最后的那个参数是透明度，0全透明，1不透明
rgb(207 166 87 1)  -> rgba(207/255 166/255 87/255 1)
<texture> （可选）
材质的纹理由文件名指定

以下 放在xacro那篇文章讲解，因为好像用gazebo仿真才需要添加这两个属性

2. inertial：惯性参数
   - origin 视觉元素的参考框架相对于肢节的参考框架。

3. collision：碰撞属性
   - origin 碰撞元素的参考框架相对于肢节的参考框架。

三、mbot代码注释版

<?xml version="1.0" ?>
<!-- 创建名为mbot的机器人模型 -->
<robot name="mbot">

    <!-- 基础主体肢节 base_link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <!-- 形状为高0.16m、半径0.2m的圆柱体-->
                <cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
            </geometry>
            <material name="yellow">
                <!-- 颜色为黄色的全不透明-->
                <color rgba="1 0.4 0 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节left_wheel_joint -->
    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <!-- 子肢节坐标系相对父肢节y轴原点正向移动0.19m，相对z轴原点负向移动0.05m-->
        <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
        <!-- 连接父子肢节base_link、left_wheel_link-->
        <parent link="base_link"/>
        <child link="left_wheel_link"/>
        <!-- 设定y轴为旋转轴 -->
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <!-- 左轮子肢节 -->
    <link name="left_wheel_link">
        <visual>
            <!-- 子肢节坐标系相对父肢节x轴逆时针旋转90° -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
            <geometry>
                <cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>
    
    ......

</robot>