统一机器人描述格式---URDF

简介：

机器人建模也是可视化实现中的比较重要的一部分内容，ROS2 中的建模是由 URDF 实现的。

URDF 是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构，比如：底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度等，该文件可以被 C++ 内置的解释器转换成 rviz 或仿真环境中的可视化机器人模型。

在 rviz2 中如何显示机器人模型呢？ URDF 是一种机器人建模文件，rviz2 可以按照该文件渲染出图形化的机器人模型。换言之，rviz2 必须集成 URDF 文件才能显示机器人模型，本节就将主要介绍该二者集成的基本实现流程。

案例1：在 rviz2 中显示一个简单的盒状机器人。（演示创建URDF文件的基本流程）

（1）安装案例所需的两个功能包：

sudo apt install ros-humble-joint-state-publisher

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

（2）终端下进入工作空间的src目录，调用如下命令创建C++功能包：

ros2 pkg create cpp06_urdf --build-type ament_cmake

（3）功能包下新建 urdf、rviz、launch、meshes目录以备用，其中 urdf 目录下再新建子目录 urdf 与 xacro，分别用于存储 urdf 文件和 xacro 文件。

（4）功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo01_helloworld.urdf，并编辑文件，输入如下内容：

<!-- 
    需求：显示一盒状机器人
 -->
 <robot name="hello_world">
   <link name="base_link">
     <visual>
       <geometry>
         <box size="0.5 0.2 0.1"/>
       </geometry>
     </visual>
   </link>
 </robot>

（5）功能包 cpp06_urdf 的 launch 目录下，新建 launch 文件 display.launch.py，并编辑文件，输入如下内容：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
import os
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue
from launch.substitutions import Command,LaunchConfiguration
from launch.actions import DeclareLaunchArgument

#示例： ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf
def generate_launch_description():

    cpp06_urdf_dir = get_package_share_directory("cpp06_urdf")
    default_model_path = os.path.join(cpp06_urdf_dir,"urdf/urdf","demo01_helloworld.urdf")
    default_rviz_path = os.path.join(cpp06_urdf_dir,"rviz","display.rviz")
    model = DeclareLaunchArgument(name="model", default_value=default_model_path)

    # 加载机器人模型
    # 1.启动 robot_state_publisher 节点并以参数方式加载 urdf 文件
    robot_description = ParameterValue(Command(["xacro ",LaunchConfiguration("model")]))
    robot_state_publisher = Node(
        package="robot_state_publisher",
        executable="robot_state_publisher",
        parameters=[{"robot_description": robot_description}]
    )
    # 2.启动 joint_state_publisher 节点发布非固定关节状态
    joint_state_publisher = Node(
        package="joint_state_publisher",
        executable="joint_state_publisher"
    )
    # rviz2 节点
    rviz2 = Node(
        package="rviz2",
        executable="rviz2"
        # arguments=["-d", default_rviz_path]
    )
    return LaunchDescription([
        model,
        robot_state_publisher,
        joint_state_publisher,
        rviz2
    ])

launch 文件启动时，可以通过参数 model 动态传入被加载的 urdf 文件

（6）在 package.xml 中需要手动添加一些执行时依赖，核心内容如下：

（7）在功能包下，新建了若干目录，需要为这些目录配置安装路径，核心内容如下：

（8）编译，执行

colcon build --packages-select cpp06_urdf

. install/setup.bash

ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py

（9）rviz配置：

1. Global Options 中的 Fixed Frame 设置为 base_link（和 urdf 文件中 link 标签的 name 一致）；
2. 添加机器人模型插件，并将参数 Description Topic 的值设置为 /robot_description，即可显示机器人模型。

在本文的后续案例中，所有实现都遵循上述步骤，在后续案例中我们只需要关注 urdf 实现即可，launch 文件和 配置文件无需修改。

URDF文件语法及实现：

URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单的，主要标签如下：

• robot 标签，这是整个 urdf 文件的根标签；
• link 标签，用于描述机器人刚体部分的标签；
• joint 标签，是用于连接不同刚体的"关节"。

Robot的第一个子标签----link

属性：

• name（必填）：为连杆命名。

子标签

<visual>（可选）：用于描述link的可视化属性，可以设置link的形状（立方体、球体、圆柱等）。

• name（可选）：指定link名称，此名称会映射为同名坐标系，还可以通过引用该值定位定位link。
• <geometry> （必填）：用于设置link的形状，比如：立方体、球体或圆柱。
  • <box>：立方体标签，通过size属性设置立方体的边长，原点为其几何中心。
  • <cylinder>：圆柱标签，通过radius属性设置圆柱半径，通过length属性设置圆柱高度，原点为其几何中心。
  • <sphere>：球体标签，通过radius属性设置球体半径，原点为其几何中心。
  • <mesh>：通过属性filename引用"皮肤"文件，为link设置外观，该文件必须是本地文件。使用 package://<packagename>/<path>为文件名添加前缀。
• <origin> （可选）：用于设置link的相对偏移量以及旋转角度，如未指定则使用默认值（无偏移且无旋转）。
  • xyz：表示x、y、z三个维度上的偏移量（以米为单位），不同数值之间使用空格分隔，如未指定则使用默认值（三个维度无偏移）。
  • rpy：表示翻滚、俯仰与偏航的角度（以弧度为单位），不同数值之间使用空格分隔，如未指定则使用默认值（三个维度无旋转）。
• <material> （可选）：视觉元素的材质。也可以在根标签robot中定义material标签，然后，可以在link中按名称进行引用。
  • name（可选）：为material指定名称，可以通过该值进行引用。
  • <color>（可选）：rgba 材质的颜色，由代表red/green/blue/alpha 的四个数字组成，每个数字的范围为 [0,1]。
  • <texture>（可选）：材质的纹理，可以由属性filename设置。

<collision>（可选）：link的碰撞属性。可以与link的视觉属性一致，也可以不同，比如：我们会通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间，或者设置的值大于link的视觉属性，以尽量避免碰撞。另外，同一链接可以存在多个 <collision>标签实例，多个几何图形组合表示link的碰撞属性。

• name（可选）：为collision设置名称。
• <geometry>（必须）：请参考visual标签的geometry使用规则。
• <origin>（可选）：请参考visual标签的origin使用规则。

<inertial>（可选）：用于设置link的质量、质心位置和中心惯性特性，如果未指定，则默认为质量为0、惯性为0。

• <origin> （可选）：该位姿（平移、旋转）描述了链接的质心框架 C 相对于链接框架 L 的位置和方向。
  • xyz：表示从 Lo（链接框架原点）到 Co（链接的质心）的位置向量为 x L̂x + y L̂y + z L̂z，其中 L̂x、L̂y、L̂z 是链接框架 L 的正交单位向量。
  • rpy：将 C 的单位向量 Ĉx、Ĉy、Ĉz 相对于链接框架 L 的方向表示为以弧度为单位的欧拉旋转序列 (r p y)。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz 不需要与连杆的惯性主轴对齐。
• <mass>（必填）：通过其value属性设置link的质量。
• <inertia>（必填）：对于固定在质心坐标系 C 中的单位向量 Ĉx、Ĉy、Ĉz，该连杆的惯性矩 ixx、iyy、izz 以及关于 Co（连杆的质心）的惯性 ixy、ixz、iyz 的乘积。

注意：<collision> 和 <inertial> 在仿真环境下才需要使用到，如果只是在 rviz2 中集成 urdf，那么不必须为 link 定义这两个标签。

案例二：分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件

（1）功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo02_link.urdf，并编辑文件，输入如下内容：

<robot name="link_demo">
  <!-- 定义颜色 -->
  <material name="yellow">
    <color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
  </material>
  <link name="base_link">
    <visual>
        <!-- 形状 -->
        <geometry>
            <!-- 长方体的长宽高 -->
            <box size="0.5 0.3 0.1" />
            <!-- 圆柱，半径和长度 -->
            <!-- <cylinder radius="0.5" length="1.0" /> -->
            <!-- 球体，半径-->
            <!-- <sphere radius="0.3" /> -->

        </geometry>
        <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度) -->
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <!-- 调用已定义的颜色 -->
        <material name="yellow"/>
    </visual>
  </link>
</robot>

（2）终端运行：

ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo02_link.urdf   
#启动一个cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo02_link.urdf 路径下的URDF机器人模型并在RViz中显示它

案例三：利用mesh子标签为机器人更方便地设置外观

知识点：

<mesh>：通过属性filename引用"皮肤"文件，为link设置外观，该文件必须是本地文件。使用 package://<packagename>/<path>为文件名添加前缀。

mesh文件地制作其实比较麻烦，一般机器人厂家会制作好并给你使用，或者我们去github上面使用别人制作的皮肤文件

具体步骤：

（1）到我的资源博客里下载一个mesh文件

（2）将该mesh文件拖到meshes文件夹中

（3）功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo03_link_mesh.urdf，并编辑文件，输入如下内容：

<robot name="link_demo">
  <!-- 定义颜色 -->
  <material name="yellow">
    <color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
  </material>
  <link name="base_link">
    <visual>
        <!-- 形状 -->
        <geometry>
            <!-- 长方体的长宽高 -->
            <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
            <!-- 圆柱，半径和长度 -->
            <!-- <cylinder radius="0.5" length="1.0" /> -->
            <!-- 球体，半径-->
            <!-- <sphere radius="0.3" /> -->
            <mesh filename="package://cpp06_urdf/meshes/waffle_base.stl" scale="0.01 0.01 0.01"/>
        </geometry>
        <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度) -->
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <!-- 调用已定义的颜色 -->
        <material name="yellow"/>
    </visual>
  </link>
</robot>

**提醒：**在xml文件中，报错提示非常不明显，所以一定要小心编写，或者编写完之后丢给豆包，让他检查一下哪里有错误。比如我在 scale="0.01 0.01 .0.01中多打了一个小数点， mesh文件的路径写错了，都是能够正常编译运行通过的，但是就是无法展示想要的显示效果。

<mesh filename="package://cpp06_urdf/meshes/waffle_base.stl" scale="0.01 0.01 .0.01"/>语法解析："package://cpp06_urdf/meshes/waffle_base.stl" scale="0.01 0.01 .0.01"也就是"package://所在功能包名/上级文件夹名/皮肤文件名" scale="x缩放比例 y缩放比例 z缩放比例"

（4）编译，配置环境变量

（5）启动

ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo03_link_mesh.urdf   
#启动一个cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo02_link.urdf 路径下的URDF机器人模型并在RViz中显示它

（6）rviz配置：

1. Global Options 中的 Fixed Frame 设置为 base_link（和 urdf 文件中 link 标签的 name 一致）；
2. 添加机器人模型插件，并将参数 Description Topic 的值设置为 /robot_description，即可显示机器人模型。

（7）效果展示：

Robot的第二个子标签----joint

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。

属性：

• name（必填）：为关节命名，名称需要唯一。

• type（必填）：设置关节类型，可用类型如下：

  • 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。

子标签

• <parent>（必填）：指定父级link。

  • link（必填）：父级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• <child>（必填）：指定子级link。

  • link（必填）：子级link的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。

• <origin>（可选）：这是从父link到子link的转换，关节位于子link的原点。

  • xyz：各轴线上的偏移量。
  • rpy：各轴线上的偏移弧度。

• <axis>（可选）：如不设置，默认值为（1，0，0）。

  • xyz：用于设置围绕哪个关节轴运动。

• <calibration>（可选）：关节的参考位置，用于校准关节的绝对位置。

  • rising（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发上升沿。

  • falling（可选）：当关节向正方向移动时，该参考位置将触发下降沿。

• <dynamics>（可选）：指定接头物理特性的元素。这些值用于指定关节的建模属性，对仿真较为有用。

  • damping（可选）：关节的物理阻尼值，默认为0。

  • friction（可选）：关节的物理静摩擦值，默认为0。

• <limit>（关节类型是revolute或prismatic时为必须的）：

  • lower（可选）：指定关节下限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。

  • upper（可选）：指定关节上限的属性（旋转关节以弧度为单位，棱柱关节以米为单位）。如果关节是连续的，则省略。

  • effort（必填）：指定关节可受力的最大值。

  • velocity（必填）：用于设置最大关节速度（旋转关节以弧度每秒 [rad/s] 为单位，棱柱关节以米每秒 [m/s] 为单位）。

• <mimic> （可选）：此标签用于指定定义的关节模仿另一个现有关节。该关节的值可以计算为value = multiplier * other_joint_value + offset。

  • joint（必填）：指定要模拟的关节的名称。

  • multiplier（可选）：指定上述公式中的乘法因子。

  • offset（可选）：指定要在上述公式中添加的偏移量，默认为 0（旋转关节的单位是弧度，棱柱关节的单位是米）。

• <safety_controller>（可选）：安全控制器。

  • soft_lower_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的下关节边界，此限制需要大于joint下限。

  • soft_upper_limit（可选）：指定安全控制器开始限制关节位置的关节上边界的属性，此限制需要小于joint上限。

  • k_position（可选）：指定位置和速度限制之间的关系。

  • k_velocity（必填）：指定力和速度限制之间的关系。

案例二：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。

（1）功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目录下，新建 urdf 文件 demo03_joint.urdf，并编辑文件，输入如下内容：

<!-- 
    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

 -->
 <robot name="joint_demo">
  <!-- 定义颜色 -->
  <material name="yellow">
    <color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
  </material>
  <material name="red">
    <color rgba="0.8 0.1 0.1 0.8" />
  </material>
  <link name="base_link">
    <visual>
        <!-- 形状 -->
        <geometry>
            <box size="0.5 0.3 0.1" />
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- 摄像头 -->
  <link name="camera">
      <visual>
          <geometry>
              <box size="0.02 0.05 0.05" />
          </geometry>
          <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
          <material name="red" />
      </visual>
  </link>

  <!-- 关节 -->
  <joint name="camera2baselink" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="camera" />
      <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
      <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
      <axis xyz="0 0 1" />
  </joint>

</robot>

（2）编译，配置环境变量，终端运行，弹出rviz：

ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo03_joint.urdf

（3）配置rviz

（4）新建终端，执行如下命令，在该窗口中有一个"进度条"，通过拖拽进度条可以控制相机旋转。ros2 run joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui

（5）效果展示：

bug分析：

问题：

通过joint_state_publisher_gui关节运行到指定位置之后,关节在初始位置和指定位置之间抖动。

原因:

1.joint_state_publisher与joint_state_publisher_gui作用一致，都会发布非固定关节的运动信息。

2.robot_state_publisher会订阅关节的运动信息，并生成坐标变换数据广播。

3.joint_state_publisher或joint_state_publisher_gui有一个存在时,就会发布关节运动信息,进而就能生成坐标变换。

当两个都不启动时,坐标树生成不了,机器人模型显示异常。

当两个都存在时 joint_state_publisher一直发布初始关节位姿信息[joint_state_publist发布指定的关节位姿信息,最终,两个消息都要订阅,最终产生了抖动的效果。

解决：

不再启动joint_state_publisherr_gui节点进行调试旋转。使用joint_state_publisher进行控制

优化：使用base_footprint优化urdf

策略：

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。

<!-- 
    需求：为机器人模型添加 base_footprint

 -->
 <robot name="base_footprint_demo">
  <!-- 定义颜色 -->
  <material name="yellow">
    <color rgba="0.7 0.7 0 0.8" />
  </material>
  <material name="red">
    <color rgba="0.8 0.1 0.1 0.8" />
  </material>

  <link name="base_footprint">
    <visual>
      <geometry>
          <sphere radius="0.001"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <link name="base_link">
    <visual>
        <!-- 形状 -->
        <geometry>
            <box size="0.5 0.3 0.1" />
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="baselink2basefootprint" type="fixed">
    <parent link="base_footprint"/>
    <child link="base_link"/>
    <origin xyz="0.0 0.0 0.05"/>
  </joint>

  <!-- 摄像头 -->
  <link name="camera">
      <visual>
          <geometry>
              <box size="0.02 0.05 0.05" />
          </geometry>
          <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
          <material name="red" />
      </visual>
  </link>

  <!-- 关节 -->
  <joint name="camera2baselink" type="fixed">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="camera" />
      <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
      <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
      <axis xyz="0 0 1" />
  </joint>

</robot>

运行demo后，在 rviz2 将Fixed Frame设置为base_footprint，机器人模型将正常显示在"地面"上。