ROS实践一构建Gazebo机器人模型文件urdf

URDF（Unified Robot Description Format）是一种基于XML的格式，用于描述机器人模型的结构、关节、连杆和传感器信息，并可以与Gazebo、RViz等仿真环境结合使用。

一、基础语法

1. urdf文件组成

URDF 主要由以下几个核心元素（标签）组成：

（1）一级标签（根标签）

<robot> <!--根标签-->

（2）二级标签

根标签是 robot，而二级标签通常是在 robot 标签内定义的具体组件和元素。以下是一些常见的二级标签：

<link>        <!-- 定义一个刚体部分 -->
<joint>       <!-- 定义两个链接之间的连接及其运动方式 -->
<sensor>      <!-- 定义传感器 -->
<transmission> <!-- 定义传动方式，主要用于控制器与电机连接 -->
<material>    <!-- 定义材质属性 -->
<geometry>    <!-- 定义几何形状，用于可视化 -->
<visual>      <!-- 定义视觉表示，用于渲染和模拟 -->
<collision>   <!-- 定义碰撞体积，用于物理引擎 -->
<inertial>    <!-- 定义惯性矩阵，用于物理仿真 -->
<frame>       <!-- 定义坐标系 -->

（3）三级标签

在 URDF 中，三级标签通常是用于具体配置和描述某个二级标签的更多详细信息。以下是一些常见的三级标签，它们一般位于二级标签内部。

<geometry>       <!-- 用于定义物体的几何形状 -->
    <box>         <!-- 定义立方体的几何形状 -->
    <cylinder>    <!-- 定义圆柱体的几何形状 -->
    <sphere>      <!-- 定义球形几何形状 -->
    <mesh>        <!-- 定义网格形状 -->
</geometry>

<visual>         <!-- 定义可视化表示 -->
    <material>    <!-- 定义可视化的材质 -->
        <ambient> <!-- 环境光 -->
        <diffuse> <!-- 漫反射光 -->
        <specular> <!-- 高光反射 -->
    </material>
</visual>

<collision>      <!-- 定义碰撞体积 -->
    <geometry>    <!-- 定义碰撞体积的几何形状 -->
        <box>     <!-- 立方体 -->
        <cylinder><!-- 圆柱体 -->
        <sphere>  <!-- 球体 -->
    </geometry>
</collision>

<inertial>       <!-- 定义惯性属性 -->
    <mass>        <!-- 质量 -->
    <inertia>     <!-- 惯性矩阵 -->
</inertial>

<origin>         <!-- 定义元素在坐标系中的位置和姿态 -->
    <xyz>         <!-- 定义位置 -->
    <rpy>         <!-- 定义旋转角度 -->
</origin>

<transmission>   <!-- 定义传动系统 -->
    <actuator>    <!-- 定义执行器 -->
        <hardwareInterface> <!-- 定义硬件接口 -->
    </actuator>
</transmission>

2. <robot>根标签

URDF 中为了保证 XML 语法的完整性，使用 <robot> 标签作为根标签，所有的 <link> 和 <joint> 以及其他标签都必须包含在 <robot> 标签内。在该标签内，可以通过 name 属性设置机器人模型的名称。所有其他标签（如 <link>、<joint>、<material>、<transmission> 等）都是 <robot> 的子级标签。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="simple_robot">  <!-- 名称自定 -->
    <!-- 这里是机器人模型的内容 -->
</robot>

3. <link> 和 <joint>

简述 ：在机器人模型中，link1 和 link2 分别代表类似于人的大臂和小臂的刚体部分，而 joint 则类似于肘关节，负责连接这两个部件并允许它们相对运动（例如，肘部的弯曲）。

（1）<link>

link 代表机器人中的一个刚性部件，例如机械臂的一个关节、轮式机器人的车轮等。link 主要包含以下元素：

• <inertial> ：描述 link 的惯性，包括质量、质心和惯性矩阵。
• <visual> ：定义 link 的外观（几何形状、颜色、材质）。
• <collision> ：定义物理仿真中 link 的碰撞形状（通常比 visual 简化）。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="simple_robot">
    <!-- 定义一个 link -->
    <link name="simple_link">
        <!-- 定义惯性属性 -->
        <inertial>
            <mass value="1.0"/> <!-- 质量 -->
            <origin xyz="0 0 0"/> <!-- 相对坐标 -->
            <inertia ixx="0.1" iyy="0.1" izz="0.1" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/> <!-- 惯性矩阵 -->
        </inertial>

        <!-- 定义可视化属性 -->
        <visual>
            <geometry>
                <box size="1 1 1"/> <!-- 立方体形状，尺寸为 1x1x1 -->
            </geometry>
            <material name="green"/> <!-- 绿色 -->
        </visual>

        <!-- 定义碰撞属性 -->
        <collision>
            <geometry>
                <box size="1 1 1"/> <!-- 碰撞盒子，尺寸为 1x1x1 -->
            </geometry>
        </collision>
    </link>
</robot>

（2）<joint>

joint 用于连接两个 link，并定义它们的相对运动方式，例如固定连接、旋转或滑动等。joint 主要包含以下元素：

• <parent> ：定义 joint 连接的父 link。
• <child> ：定义 joint 连接的子 link。
• <type> ：定义 joint 的类型（fixed、revolute、prismatic、continuous 等）。

• <origin> ：定义 joint 相对于 parent 的初始位置。
• <axis> （可选）：如果是 revolute 或 prismatic 关节，则定义运动轴。
• <limit> （可选）：定义 joint 的运动范围、速度和力矩限制。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="simple_robot">
    <!-- 第一个 link -->
    <link name="link1">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="1 1 1"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 第二个 link -->
    <link name="link2">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="1 1 1"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 定义关节，连接 link1 和 link2 -->
    <joint name="simple_joint" type="revolute">
        <parent link="link1"/>
        <child link="link2"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>  <!-- 旋转轴：绕 y 轴旋转 -->
        <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="1"/> <!-- 旋转范围限制 -->
    </joint>
</robot>

4. <sensor>

<sensor> 标签在 URDF 中用于定义机器人上的传感器，例如激光雷达、相机、IMU（惯性测量单元）等。传感器用于模拟机器人感知环境的能力，在 Gazebo 等仿真环境中非常常见。传感器类型如下所示：

<sensor type="camera"/>  <!-- 相机传感器 -->
<sensor type="ray"/>     <!-- 激光雷达传感器 -->
<sensor type="proximity"/>  <!-- 接近传感器 -->
<sensor type="imu"/>     <!-- 惯性测量单元传感器 -->
<sensor type="force_torque"/>  <!-- 力与扭矩传感器 -->
<sensor type="gps"/>     <!-- 全球定位系统传感器 -->
<sensor type="contact"/> <!-- 接触传感器 -->
<sensor type="barometer"/>  <!-- 气压计传感器 -->
<sensor type="ultrasonic"/>  <!-- 超声波传感器 -->
<sensor type="range"/>   <!-- 距离传感器 -->

不同类型的传感器（如相机、IMU、激光雷达等）会有不同的子标签和配置项，具体内容会根据传感器的类型而变化。这里将不太过多介绍标签，详细查看其他博客，这里主要是为了让读者了解其结构框架。激光雷达传感器如下所示：

<robot name="example_robot">
    <!-- 定义一个 Link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="1 1 1"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 定义一个传感器 (激光雷达) -->
    <sensor name="laser_sensor" type="ray">
        <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 0"/> <!-- 定义传感器相对于 link 的位置和姿态 -->
        <ray>
            <scan>
                <horizontal>
                    <samples value="720"/>  <!-- 扫描样本数量 -->
                    <resolution value="1"/> <!-- 扫描分辨率 -->
                    <min_angle value="-1.5708"/> <!-- 最小扫描角度 (单位: 弧度) -->
                    <max_angle value="1.5708"/> <!-- 最大扫描角度 (单位: 弧度) -->
                </horizontal>
            </scan>
            <range>
                <min value="0.1"/>  <!-- 最小测距距离 -->
                <max value="10.0"/> <!-- 最大测距距离 -->
                <resolution value="0.01"/> <!-- 测距分辨率 -->
            </range>
        </ray>
    </sensor>
</robot>

• <sensor> 标签
  这是根标签，定义了一个传感器的相关信息。

  • name：传感器的名称（在本例中为 laser_sensor）。
  • type：传感器的类型（在本例中为 ray，表示激光雷达）。

• <origin> 标签
  这个标签定义了传感器相对于父 link 的位置和姿态。

  • xyz="0 0 1"：表示传感器在父 link 坐标系中的位置。x、y 和 z 表示位置的偏移量。
  • rpy="0 0 0"：表示传感器的旋转姿态，rpy 表示滚转（roll）、俯仰（pitch）、偏航（yaw）的角度，这里都是 0，表示没有旋转。

• <ray> 标签
  这个标签用于定义激光传感器的具体扫描行为。

  • <scan> 标签：定义扫描的相关参数。

    • <horizontal> 标签：定义水平扫描的参数。

  • <range> 标签：定义传感器的测距范围。

二、 实验：使用launch文件启动rviz查看机器人模型

注意：什么类型的文件就要放在功能包的什么目录下，没有则手动创建该目录。

1. 编写机器人模型的urdf文件。

my_car.urdf

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="my_robot">
    
    <!-- 材质 -->
    <material name="blue">
        <color rgba="0.0 0.0 1.0 1.0"/>
    </material>
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
    </material>

    <!-- 机器人主体 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.4 0.3 0.2"/>
            </geometry>
            <material name="blue"/>
        </visual>
    </link>

    <!-- 左右轮子 -->
    <link name="wheel_left">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>
            </geometry>
            <material name="black"/>
        </visual>
    </link>

    <link name="wheel_right">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>
            </geometry>
            <material name="black"/>
        </visual>
    </link>

    <!-- 摄像头 -->
    <link name="camera_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.1 0.1 0.1"/>
            </geometry>
            <material name="black"/>
        </visual>
    </link>

    <!-- 前轮（万向轮） -->
    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.02"/>  <!-- 更改为圆形 -->
            </geometry>
            <material name="black"/>
        </visual>
    </link>

    <!-- 轮子关节（旋转类型） -->
    <joint name="wheel_left_joint" type="revolute">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="wheel_left"/>
        <origin xyz="-0.1 -0.15 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>  <!-- 旋转90° -->
        <axis xyz="0 0 1"/>  <!-- 旋转轴设置为X轴，确保向前滚动 -->
        <limit effort="100" velocity="1.0" lower="-1.0" upper="1.0"/>
    </joint>

    <joint name="wheel_right_joint" type="revolute">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="wheel_right"/>
        <origin xyz="-0.1 0.15 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
        <axis xyz="0 0 1"/>  <!-- 旋转轴设置为X轴，确保向前滚动 -->
        <limit effort="100" velocity="1.0" lower="-1.0" upper="1.0"/>
    </joint>

    <!-- 摄像头关节（固定） -->
    <joint name="camera_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera_link"/>
        <origin xyz="0.1 0 0.15"/>
    </joint>

    <!-- 前轮关节（固定） -->
    <joint name="front_wheel_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="front_wheel"/>
        <!-- 将z坐标调整为-0.12，确保万向轮能挨到地面 -->
        <origin xyz="0.15 0 -0.12" rpy="1.5708 0 0"/>
    </joint>

</robot>

2. 编写launch文件。

mycar_rviz.launch

<launch>
    <!-- 传入参数，决定是否启用图形界面 -->
    <arg name="gui" default="true" />
    
    <!-- 加载 URDF 机器人模型 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find my_package)/urdf/my_car.urdf"/>
    
    <!-- 机器人状态发布器 -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher">
        <param name="use_sim_time" value="false"/>
    </node>

    <!-- 关节状态发布器（如果机器人有 Revolute/Prismatic 关节） -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher">
        <param name="use_gui" value="false"/> <!-- 这里设置为 false，避免重复图形化界面 -->
    </node>

    <!-- 关节状态发布器图形界面（可选，基于 "gui" 参数） -->
    <node name="joint_state_publisher_gui" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" if="$(arg gui)" />

    <!-- 启动 RViz -->
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" required="true">
        <param name="config" value="$(find my_package)/rviz/robot.rviz"/>
    </node>
</launch>

3. 运行launch，查看效果。

运行完后，界面中没有机器人模型，我们需要先添加模型。

注意：如果没有下面base_link的选项，则关闭重新启动一下launch文件。