ROS学习笔记十一：创建URDF 文件并在RVIZ中查看模型

Unified Robot Description Format，简称为URDF（标准化机器人描述格式）,是一种用于描述机器人及其部分结构、关节、自由度等的XML格式文件。

一、创建第一个URDF文件

将要创建的URDF文件描述的是一种最常见的移动机器人，它有四个轮子、一个带有抓取器的手臂。

为了打好基础，我们先做一个带有四个轮子的机器人底座。在 chapter7_tutorials/robot1_description/urdf 文件夹创建一个新文件并命名为robot1.urdf，其内容如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="robot1">     
    <link name="base_link">
           <visual>
                 <geometry>
                       <box size="0.2 .3 .1"/>
                 </geometry>
            <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.05"/>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 1"/>
            </material>
           </visual>     
     </link>

     <link name="wheel_1">
           <visual>
                 <geometry>
                       <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                 </geometry>
            <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 0.1 0"/>
               <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 1"/>
            </material>
        </visual>
     </link>

     <link name="wheel_2">
           <visual>
                 <geometry>
                       <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                 </geometry>
            <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 0.1 0"/>
               <material name="black"/>
           </visual>
     </link>

     <link name="wheel_3">
           <visual>
                 <geometry>
                       <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                 </geometry>
            <origin rpy="0 1.5 0" xyz="0.1 -0.1 0"/>
               <material name="black"/>
           </visual>
     </link>

     <link name="wheel_4">
           <visual>
                 <geometry>
                       <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                 </geometry>
            <origin rpy="0 1.5 0" xyz="-0.1 -0.1 0"/>
               <material name="black"/>
           </visual>
     </link>

     <joint name="base_to_wheel1" type="fixed">
           <parent link="base_link"/>
           <child link="wheel_1"/>
           <origin xyz="0 0 0"/>
     </joint>

     <joint name="base_to_wheel2" type="fixed">
           <parent link="base_link"/>
           <child link="wheel_2"/>
           <origin xyz="0 0 0"/>
     </joint>

     <joint name="base_to_wheel3" type="fixed">
           <parent link="base_link"/>
           <child link="wheel_3"/>
           <origin xyz="0 0 0"/>
     </joint>

     <joint name="base_to_wheel4" type="fixed">
           <parent link="base_link"/>
           <child link="wheel_4"/>
           <origin xyz="0 0 0"/>
     </joint>
</robot>

二、常见标签说明

连接（link）标签

标签	功能
<link>	连接的可视化、碰撞和惯性属性设置
<visual>	设置连接的可视化属性
<collision>	设置连接的碰撞计算属性
<inertial>	设置连接的惯性属性
<geometry>	输入模型的形状。提供box、cylinder、sphere等形态
<origin>	设置相对于连接相对坐标系的移动和旋转
<material>	设置连接的颜色和纹理
<mass>	连接重量（单位：kg）的设置

关节（joint）标签

标签	功能
<joint>	与连接的关系和关节类型的设置
<parent>	关节的父连接
<child>	关节的子连接
<origin>	将父连接坐标系转换为子连接坐标系
<axis>	设置旋转轴
<limit>	设置关节的速度、力和半径（仅当关节是revolute或prismatic时）

transmission标签

<transmission>是与ROS-CONTROL一起运行所必须的标签，它输入关节与舵机之间的命令接口。

标签	功能
<transmission>	设置关节和舵机之间的变量
<type>	设置力的传递方式的形状
<joint>	设置关节信息设置
<hardwareInterface>	设置硬件接口
<actuator>	设置舵机信息
<mechanicalReduction>	设置舵机与关节之间的齿轮比

注：这里的起点位置是相对与父连杆的位置，并不是绝对坐标。另外连接又称连杆。

三、解释文件格式

如你在代码中所见，有两种用于描述机器人几何结构的基本字段：连接（link）和关节（joint）。

第一个连接的名字是base_link（基本连接），这个名字在文件中必须唯一：

<link name="base_link">
    <visual>
        <geometry>
            <box size="0.2 .3 .1"/>
        </geometry>
        <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.05"/>
        <material name="white">
            <color rgba="1 1 1 1"/>
        </material>
    </visual>     
</link>

• link name：定义连接名称为base_link
• visual：让定义的物体结构可见
• geometry：定义几何形状（圆柱体、立方体、球体和网格）为box，尺寸为0.2*0.3*0.1
• origin：rpy-起点位置无位移，xyz-绕z轴旋转
• material：定义材质（颜色和纹理），这里只定义了颜色为rgba="1 1 1 1"

然后使用以下代码定义关节：

<joint name="base_to_wheel1" type="fixed">
     <parent link="base_link"/>
     <child link="wheel_1"/>
     <origin xyz="0 0 0"/>
</joint>

• joint name：定义关节名称为base_to_wheel1，类型为固定关节
• parent link：父连接是base_link
• child link：子连接是wheel_1
• origin：起点位置相对父连接无位移

关节类型

• fiexd：固定关节，不允许运动的特殊关节
• continuous：转动关节，可以绕单轴无线旋转
• revolute：旋转关节，类似于continuous，但旋转角度有限
• prismatic：滑动关节，沿某一轴线移动的关节，带有位置极限
• floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动
• planar：平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转

四、检查URDF语法

ROS为用户提供了一个检查URDF语法的命令：

check_urdf robot1.urdf

如果一切正常，将会有如下显示：

robot name is: Robot1
---------- Successfully Parsed XML ---------------
root Link: base_link has 4 child(ren)
child(1): wheel1
child(2): wheel2
child(3): wheel3
child(4): wheel4

如果你希望以图形的方式来查看它，那么可以使用urdf_to_graphiz命令工具：

$ urdf_to_graphiz robot1.urdf

此命令将生成两个文件：robot1.gv 和 robot1.pdf。可以使用 evince 打开：

evince robot1.pdf

显示如下：

五、在rviz里查看3D模型

新建launch文件

在robot1_description/launch文件夹下新建display.launch文件，代码如下：

<?xml version="1.0"?>
<launch>
	<arg name="model" />
	<arg name="gui" default="False" />
	<param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />
	<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node>
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find urdf_tutorial)/urdf.rviz" />
</launch>

运行launch文件

$ roslaunch robot1_description display.launch model:="`rospack find robot1_description`/urdf/robot1.urdf"

注：把文件直接拖进终端就可以直接显示文件位置信息。

显示如下： 

默认状态下画面中什么都没有，此时需要做出调整。在左下角的add按钮中添加RobotModel，然后将Fixed Frame选为base_link。

六、添加基座臂、连接臂和夹持臂

补充urdf文件

在</robot>前增添以下代码：

<link name="arm_base">
<visual>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.1"/>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="base_to_arm_base" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="arm_base"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
<origin xyz="0 0 0"/>
</joint>
<link name="arm_1">
<visual>
<geometry>
<box size="0.05 .05 0.5"/>
</geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.25"/>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.05 .05 0.5"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="arm_1_to_arm_base" type="revolute">
<parent link="arm_base"/>
<child link="arm_1"/>
<axis xyz="1 0 0"/>
<origin xyz="0 0 0.15"/>
<limit effort ="1000.0" lower="-1.0" upper="1.0" velocity="0.5"/>
</joint>
<link name="arm_2">
<visual>
<geometry>
<box size="0.05 0.05 0.5"/>
</geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.06 0 0.15"/>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 1"/>
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.05 .05 0.5"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="arm_2_to_arm_1" type="revolute">
<parent link="arm_1"/>
<child link="arm_2"/>
<axis xyz="1 0 0"/>
<origin xyz="0.0 0 0.45"/>
<limit effort ="1000.0" lower="-2.5" upper="2.5" velocity="0.5"/>
</joint>
<joint name="left_gripper_joint" type="revolute">
<axis xyz="0 0 1"/>
<limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/>
<origin rpy="0 -1.57 0" xyz="0.06 0 0.4"/>
<parent link="arm_2"/>
<child link="left_gripper"/>
</joint>
<link name="left_gripper">
<visual>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger.dae"/>
</geometry>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="left_tip_joint" type="fixed">
<parent link="left_gripper"/>
<child link="left_tip"/>
</joint>
<link name="left_tip">
<visual>
<origin rpy="0.0 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger_tip.dae"/>
</geometry>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="right_gripper_joint" type="revolute">
<axis xyz="0 0 -1"/>
<limit effort="1000.0" lower="0.0" upper="0.548" velocity="0.5"/>
<origin rpy="0 -1.57 0" xyz="0.06 0 0.4"/>
<parent link="arm_2"/>
<child link="right_gripper"/>
</joint>
<link name="right_gripper">
<visual>
<origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger.dae"/>
</geometry>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>
<joint name="right_tip_joint" type="fixed">
<parent link="right_gripper"/>
<child link="right_tip"/>
</joint>
<link name="right_tip">
<visual>
<origin rpy="-3.1415 0 0" xyz="0.09137 0.00495 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://pr2_description/meshes/gripper_v0/l_finger_tip.dae"/>
</geometry>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.1 .1 .1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
</inertial>
</link>

运行launch文件

$ roslaunch robot1_description display.launch model:="`rospack find robot1_description`/urdf/robot1.urdf"

显示如下：

七、使机器人模型运动

最常用的关节是转动关节。例如，我们在 arm_1_to_arm_base 上使用的就是，其代码如下所示：

<joint name="arm_1_to_arm_base" type="revolute">
	<parent link="arm_base"/>
	<child link="arm_1"/>
	<axis xyz="1 0 0"/>
	<origin xyz="0 0 0.15"/>
	<limit effort ="1000.0" lower="-1.0" upper="1.0" velocity="0.5"/>
</joint>

• <axis xyz="1 0 0"/>旋转转动轴来运动。
• limit 标签用于选择以下属性：effort（关节所承受的最大力），lower（赋值给关节的下限，旋转关节的单位是弧度，移动关节的单位是米），upper（赋值给关节的上限），velocity（强制关节的最大速度）。

要判断关节的轴或转动限值是否合适，有一种好的办法就是使用 joint_state_publisher GUI 运行 rviz（加上了gui:=true）：

$ roslaunch robot1_description display.launch model:="`rospack find robot1_description`/urdf/robot1.urdf" gui:=true

joint_state_publisher GUI 运行界面显示如下:

urdf文件中每一个axis对应一个调节器，joint_state_publisher应该是ros中自带的调节joint的功能，所以直接调用就可以。另外界面中的每个滑块都能控制一个关节。

八、物理属性和碰撞属性

如果你想要在 gazebo 或者其他仿真软件上进行机器人仿真，就需要添加物理属性和碰撞属性。这意味着我们需要设定几何尺寸来计算可能的碰撞，例如设定重量我们才能够计算惯性等。

你需要保证模型文件中的所有连接都有这些参数，否则就无法对这些机器人进行仿真。

在下面的代码中，你会看到我们向名为 base_link 的连接添加这两个属性：

<link name="base_link">
	...
    <collision>
		<geometry>
        	<box size="0.2 .3 0.1"/>
        </geometry>
    </collision>
    <inertial>
		<mass value="100"/>
             <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
	</inertial>        
</link>

对于其他的连接也要这么做。记住，要为所有连接添加 collision 和 inertial 属性，因为如果你不这样做的话，gazebo 将无法使用这些模型。

你能够在 robot1_description/urdf/robot1_physics.urdf 中查看带有所有参数的完整文件。

参考： 

ROS-URDF仿真