机器人仿真——URDF建模
作者：互联网
机器人仿真——URDF建模
URDF定义
URDF全称为Unified Robot Description Format，中文可以翻译为“统一机器人描述格式”。与计算机文件中的.txt文本格式、.jpg图像格式等类似，URDF是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的格式。根据该格式的设计者所言，设计这一格式的目的在于提供一种尽可能通用的机器人描述规范。
从机构学角度讲，机器人通常被建模为由连杆和关节组成的结构。连杆是带有质量属性的刚体，而关节是连接、限制两个刚体相对运动的结构。关节也被成为运动副。通过关节将连杆依次连接起来，就构成了一个个运动链（也就是这里所定义的机器人模型）。一个URDF文档即描述了这样的一系列关节与连杆的相对关系、惯性属性、几何特点和碰撞模型。具体来说，包括
机器人模型的运动学与动力学描述
机器人的几何表示
机器人的碰撞模型
一、浅识URDF
1、什么是URDF
1、 Unified Robot Description Format,统一机器人描述格式；
2、ROS中一个非常重要的机器人描述格式；
3、可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型；
4、ROS同时也提供URDF文件的C++解析器
2、URDF标签说明
<link>
- 用于描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性;
- （比如尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞属性（collision properties）等）
XML格式
<link name="<link name>">
<!-- 描述机器人link部分的外观参数 -->
<inertial>......</inertial>
<!-- 描述link的惯性参数 -->
<visual>......</visual>
<!-- 描述link的碰撞属性 -->
<collision>......</collision>
</link>
<joint>
| 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，但是有旋转的角度限制 |
| 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 |
XML格式
<joint name="<name of the joint>" type="<joint type>">
<parent link="parent_link"/>
<child link="child_link"/>
<!--关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置-->
<calibration ....../>
<!--描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等；经常在动力仿真中用到-->
<dynamics damping ....../>
<!--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-->
<limit effort ....../>
<!--描述该关节与已有关节的关系-->
<mimic....../>
<!--描述安全控制器系数-->
<safety_controller....../>
......
</joint>
<robot>
- 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。
XML格式
<robot name="name of the robot">
<link>......</link>
<link>......</link>
<joint>......</joint>
<joint>......</joint>
</robot>
3、创建功能包
创建一个机器人模型的功能包
#进入工作空间
cd ./catkin_ws/src/
#创建功能包
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
cd ./catkin_ws/src/mbot_description
mkdir urdf
mkdir meshes
mkdir launch
mkdir config
红色方框中的报错是因为我已经创建了该文件夹。
查看文件夹并注释
| 文件夹名称 | 作用 |
|---|---|
| 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 |
| 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 |
二、建模的实现
编辑launch启动文件
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_base_urdf.launch
display_mbot_base_urdf.launch文件内容
<launch>
<!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面，保存每次打开之后的相关插件，保存到config文件夹下面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
复制上面代码粘贴到文件中
使用圆柱体创建一个车体模型
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_base.urdf
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<!-- link坐标位置，放在最中央 ，xyz单位是米，rpy单位是弧度-->
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<!-- 机器人的外观效果，使用圆柱体，高0.16，半径0.20 -->
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
<!-- 通过rgba来描述颜色，颜色命名为yellow,a为1是不透明-->
</visual>
<!--visual指的是一些物理属性的标签 -->
</link>
</robot>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
出现报错
按照错误的提示，逐步去解决问题，解决一个编译一次
问题一：
Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package
sudo apt-get install ros-melodic-joint-state-publisher-gui
问题二
[joint_state_publisher-1] process has died [pid 12201, exit code 1, cmd /opt/
urdf文件第一行前面到空格全部去掉，一般格式正确后都会有颜色的，写urdf一定要注意格式，并且将其中的注释给去掉，后面再添加相应代码的时候注意去掉注释内容
问题三：
RVIZ启动但不显示模型
①将Fixed Frame改为base_link
②点击下方的Add按钮添加RobotModel
效果演示
鼠标放置模型上，可以对模型进行放缩。
创建左侧车轮
sudo gedit display_mbot_base_urdf.launch
将代码贴到上个文件的空白处
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<!-- joint名字为left_wheel_joint，属性为continuous，即无限旋转-->
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<!-- 坐标位置，在base_link基础上，Y偏移0.19，z偏移-0.05-->
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<!-- 主关节：base_link，上面的圆柱形车体-->
<!-- 子关节：left_wheel_link，左轮-->
<!-- 主关节最后是一个，本代码是base_link-->
<axis xyz="0 1 0"/>
<!--left_wheel_link绕某一个轴做旋转，指定为Y轴 -->
</joint>
<!--joint用来连接两个link-->
<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>
<!--左轮信息-->
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
添加TF坐标，将左面robotmodel选项取消
创建右侧车轮
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<!-- 坐标位置，在base_link基础上，Y偏移-0.19，z偏移-0.05，与左轮正好相反-->
<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>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
创建前后支撑轮
<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" />
<!--用圆形轮子代替 -->
</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>
查看效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
三、添加摄像头（camera）
执行下列指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_camera.urdf
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_camera_urdf.launch
添加如下内容
<?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>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_camera_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_camera.urdf " />
<!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
<param name="use_gui" value="true"/>
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<!-- 运行rviz可视化界面，保存每次打开之后的相关插件，保存到config文件夹下面 -->
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
效果演示
roslaunch mbot_description display_mbot_with_camera_urdf.launch
四、添加激光雷达（Lidar）
执行指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_laser.urdf
添加如下内容
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="laser_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0 0.105" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</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>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_laser_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_laser.urdf " />
<param name="use_gui" value="true"/>
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
效果演示
roslaunch mbot_description display_mbot_with_laser_urdf.launch
五、添加Kinect
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_kinect.urdf
添加如下内容
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="kinect_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708"/>
<geometry>
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="kinect_link"/>
</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>
<!--摄像头相关内容-->
<link name="camera_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.03 0.04 0.04" />
<!--外观是个盒子模拟成摄像头，长宽高分别是0.03 0.04 0.04-->
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.17 0 0.10" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
</robot>
指令
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_kinect_urdf.launch
添加如下内容
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_kinect.urdf " />
<param name="use_gui" value="true"/>
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>
在meshes文件中创建纹理描述信息。 新建文件名称： kinect.dae
由于无法获得相关信息文件，无法进行效果演示。
指令
roslaunch mbot_description display_mbot_with_kinect_urdf.launch
六、检查URDF模型整体结构
urdf文件夹下执行 urdf_to_graphiz+要检查的urdf文件
urdf_to_graphiz mbot_with_camera.urdf
打开生成的pdf文件查看
URDF建模存在的问题：
- 模型冗长，重复内容过多；
- 参数修改麻烦，不便于二次开发；
- 没有参数计算功能
七、总结与参考资料
1、总结
整篇文章主要讲的ROS的建模，其实整体内容还是比较简单的，但是重复的步骤太多了。这也是URDF建模的缺点。事物都有两面性，我们需要客观看待，有缺点我们不能对其进行全面的否定。但是我们可以改进它，将它进行优化。
2、参考资料
ROS学习笔记------ROS机器人系统设计.
Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package.RVIZ成功启动不显示圆柱模型.
ROS: [xxx.launch] is neither a launch file in package.
ROS学习笔记（2）6轴机器臂 [xxx.launch] is neither a launch file in package.
标签：仿真,urdf,description,launch,URDF,建模,mbot,display 来源： https://blog.csdn.net/QWERTYzxw/article/details/115025186