ROS中阶笔记（二）（机器人系统设计—URDF机器人建模）机器人ROS

ROS中阶笔记（二）：机器人系统设计—URDF机器人建模

文章目录

01 URDF理论

1.1 什么是URDF
1.2 模型< robot >

1.2.1 < link > element
1.2.2 < joint > element

02 URDF 实践

2.1 创建机器人描述的功能包
2.2 编辑launch启动文件
2.3 配置config文件
2.4 创建URDF模型
2.5 检查URDF模型整体结构
2.6 启动launch文件
2.7 URDF建模存在的问题

03 参考资料

01 URDF理论 1.1 什么是URDF

Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式；
ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式；
可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型；
ROS同时也提供URDF文件的C++解析器（可以在C++代码中直接解析URDF机器人模型，好处：在基于模型的计算算法中，可以在代码中调用模型的信息，方便模型计算）

1.2 模型< robot > 官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/model
一个完整的机器人模型，由一系列< link >和< joint >组成

完整机器人模型的最顶层标签
< link > 和 < joint >标签必须包含在 < robot > 标签内

... ... ... .... .... ....

文章图片

1.2.1 < link > element
官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/link

描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性；
尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞属性（collision properties）等。

文章图片

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；
1.2.2 < joint > element
官网：http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint
joint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。

关节类型	描述
continuous	旋转关节，可以围绕单轴无限旋转
revolute	旋转关节，类似于continuous，但是有旋转的角度极限
prismatic	滑动关节，沿某一轴线移动的关节，带有位置极限
planar	平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转
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

k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />

下面图中，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

文章图片

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

02 URDF 实践 2.1 创建机器人描述的功能包第一步，进入工作空间中的src 功能包目录下，

$ cd ./catkin_ws/src/

第二步，创建一个机器人建模的功能包

$ catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro# 机器人模型、描述文件在ROS里，通常的以机器人名_description # 并且需要依赖urdf功能包，解析模型和 xacro（优化urdf用的）依赖

第三步，在mbot_description功能包下创建几个不同作用的文件夹，如下图所示：

文章图片

urdf：存放机器人模型的URDF或xacro文件
meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件，机器人外观纹理，让外观和实际更相似，通过三维设计软件导出，放置此文件夹下
launch：保存相关启动文件
config：保存rviz的配置文件、功能包的配置文件

2.2 编辑launch启动文件主要是加载urdf 并在rviz中显示
显示机器人模型，基本上修改第一行 urdf文件的路径，即可；
下面display_mbot _base_urdf.launch文件是在rviz中显示机器人的一种固定形态

joint_state_publisher：发布每个joint（除fixed类型）的状态，而且可以通过UI界面对joint进行控制
robot_state_publisher：将机器人各个links、joints之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态信息发布

2.3 配置config文件在config文件夹下，创建.rviz 配置文件，保存。
2.4 创建URDF模型在urdf文件夹下，创建.urdf文件，保存。
第一步：使用圆柱体创建一个车体模型
第二步：使用圆柱体创建左侧车轮
第三步：使用圆柱体创建右侧车轮
第四步：使用球体创建前后支撑轮
第五步：创建传感器——摄像头camera、激光雷达laser、Kinect；
关于Kinect，在meshes文件夹下，创建创建纹理描述文件
2.5 检查URDF模型整体结构在urdf文件夹下，执行 urdf_to_graphiz+要检查的urdf文件