【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解-Toy模板网

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【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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。
【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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：

【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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

【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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 ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link B" />
	</joint>
	<joint name = "joint B ... >
		<parent link = "link A" />
		<child link = "link C" />
	</joint>
	<joint name = "joint C ... >
		<parent link = "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

【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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>
            <!-- 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>
        <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.

【ROS进阶篇】第八讲（上） URDF文件的语法详解

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>