机器人系统仿真(三)——URDF语法详解之join

参考视频：【奥特学园】ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程_哔哩哔哩_bilibili

参考文档：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/

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。

joint标签对应的数据在模型中是不可见的

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。

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。

demo03_joint.launch

<launch>
    <!--1.在参数服务器载入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.启动 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
</launch>

 demo03_joint.urdf

<!--需求：设置机器人底盘，并添加摄像头-->
<robot name="mycar">
    <!-- 1.底盘link-->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <!--1.1 立方体-->
                <box size="0.3 0.2 0.1"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 2.摄像头link-->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05"/>
            </geometry>
            <!--先使用默认（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!--3.关节-->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!--父级 link-->
        <parent link="base_link" />
        <!--子级 link-->
        <child link="camera" />
        <!--设置偏移量-->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
        <!--设置关节旋转参考的坐标系-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

 摄像头在小车内部了，应该要在小车顶部，还报错

 

launch只有上述两条语句：

表现：设置头显示位置与颜色异常
提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
解决：ROS 中提供了关于机器人模型显示的坐标系发布相关节点（两个）

demo03_joint.launch 改为

<launch>
    <!--1.在参数服务器载入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.启动 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述两条语句：
            表现：设置头显示位置与颜色异常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
            原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
            解决：ROS 中提供了关于机器人模型显示的坐标系发布相关节点（两个）
    -->
    <!--关节状态发布节点-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--机器人状态发布节点-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

摄像头有半截在里面

            <!--先使用默认（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />

 让关节转动起来

在 launch 中还需启动新的结点

<launch>
    <!--1.在参数服务器载入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!--2.启动 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述两条语句：
            表现：设置头显示位置与颜色异常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
            原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
            解决：ROS 中提供了关于机器人模型显示的坐标系发布相关节点（两个）

    -->
    <!--关节状态发布节点-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--机器人状态发布节点-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
    <!--添加控制关节运动的节点-->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui"  type="joint_state_publisher_gui"  name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>

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

demo04_base_footprint.urdf

<!--需求：设置机器人底盘，并添加摄像头-->
<robot name="mycar">

    <!--添加一个尺寸绩效的 link，再去关联初始 link 与 base_link，
    关节的高度刚好和 base_link 下沉的高度一致（半个底盘高度）-->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 1.底盘link-->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <!--1.1 立方体-->
                <box size="0.3 0.2 0.1"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 2.摄像头link-->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05"/>
            </geometry>
            <!--先使用默认（后期需要修改）-->
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!--关联 base_footprint 与 base_link-->
    <joint name="link2footprint" type="fixed">
        <!--父级 link-->
        <parent link="base_footprint" />
        <!--子级 link-->
        <child link="base_link" />
        <!--设置偏移量-->
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
    </joint>

    <!--3.关节-->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!--父级 link-->
        <parent link="base_link" />
        <!--子级 link-->
        <child link="camera" />
        <!--设置偏移量-->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0"/>
        <!--设置关节旋转参考的坐标系-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
</robot>

demo04_base_footprint.launch

<launch>
    <!--1.在参数服务器载入 urdf 文件-->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_base_footprint.urdf" />
    <!--2.启动 rviz-->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--
        只有上述两条语句：
            表现：设置头显示位置与颜色异常
            提示：No transform from [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
            原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
            解决：ROS 中提供了关于机器人模型显示的坐标系发布相关节点（两个）

    -->
    <!--关节状态发布节点-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--机器人状态发布节点-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

遇到问题以及解决

问题1:

命令行输出如下错误提示

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128)
[joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log].
log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log

rviz中提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常

原因:编码问题导致的

解决:去除URDF中的中文注释

问题2:[ERROR] [1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package

解决:

sudo apt install ros-noetic-joint-state-publisher-gui