文章目录
一、URDF机器人建模
（一）URDF机器人建模的介绍
URDF的概念
- URDF（Unified Robot Description Format）,统一机器人描述格式
- ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式
- 可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型
- ROS同时也提供URDF文件的C++解析器（可以在C++代码中直接解析- -URDF机器人模型，好处：在基于模型的计算算法中，可以在代码中调用模型的信息，方便计算）
URDF机器人模型的内容
- 连杆 link
- 关节 joint
- 运动学参数 axis
- 动力学参数 dynamics
- 可视化模型 visual
- 碰撞检测模型 collision
URDF机器人模型的标签说明
-
link标签
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的格式的描述<link name="<link name>"> <!-- 描述机器人link部分的外观参数, 尺寸、颜色、形状等的外观信息 --> <inertial>......</inertial> <!-- 描述link的惯性参数，主要用到机器人动力学的运算部分 --> <visual>......</visual> <!-- 描述link的碰撞属性 --> <collision>......</collision> </link> -
joint标签
描述机器人关节的运动学和动力学属性，包括关节运动的位置和速度限制。根据关节的运动形式，可以将其分为六种类型关节类型 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格式的描述
<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，例如物理静摩擦力--> <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--> <limit effort ....../> ...... </joint> -
robot标签
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格式描述<robot name="name of the robot"> <link>......</link> <link>......</link> <joint>......</joint> <joint>......</joint> </robot>
（二）URDF机器人建模的实现
创建URDF功能包
1.创建一个机器人建模的功能包
#进入工作空间
cd ./catkin_ws/src/
#创建功能包
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro
2.创建机器人建模的功能包的文件结构
cd ./catkin_ws/src/mbot_description
mkdir urdf
mkdir meshes
mkdir launch
mkdir config
| 目录名称 | 描述 |
|---|---|
| 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 |
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>
创建URDF模型
创建小车底盘（圆柱体）
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_base.urdf
mbot_base.urdf文件内容
<?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>
查看显示的效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
问题描述
1.Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package
解决方法：
sudo apt-get install ros-melodic-joint-state-publisher-gui（melodic版本）
2.[joint_state_publisher-1] process has died [pid 12201, exit code 1, cmd /opt/
解决方法：
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
3.RVIZ成功启动不显示模型
解决方法：
①将Fixed Frame改为base_link
②点击下方的Add按钮添加RobotModel
显示效果
创建左侧车轮
sudo gedit mbot_base.urdf
添加代码内容（添加到上面文件代码所留出的空白位置）
<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-->
注意：
去掉注释
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
查看小车主体和轮子之间的TF坐标位置
添加TF坐标，将左面robotmodel选项取消
创建右侧车轮
方法跟上面类似
添加内容
<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>
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
创建前后支撑轮
方法同上
添加内容
<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>
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_base_urdf.launch
增加传感器
加入摄像头
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
mbot_with_camera.urdf 文件内容
<?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>
display_mbot_with_camera_urdf.launch文件内容和display_mbot_base_urdf.launch文件内容基本一致，需要修改urdf相关模型的路径
<!-- 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 "/>
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_with_camera_urdf.launch
加入激光雷达
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_laser.urdf
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_laser_urdf.launch
mbot_with_laser.urdf文件内容（其他内容跟未添加传感器内容一致）
<!--激光雷达配置内容-->
<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>
display_mbot_with_laser_urdf.launch文件内容和display_mbot_urdf.launch文件内容基本一致，需要修改urdf相关模型的路径
<!-- 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="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_laser.urdf " />
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_with_laser_urdf.launch
加入Kinect
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/urdf
sudo gedit mbot_with_kinect.urdf
cd ./catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_with_kinect_urdf.launch
mbot_with_kinect.urdf文件内容（其他内容跟未添加传感器内容一致）
<!--Kinect配置-->
<link name="kinect_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.5708"/>
<geometry>
<mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
<!--直接加载Kinect的外观纹理描述文件-->
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0.15 0 0.11" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="kinect_link"/>
</joint>
display_mbot_with_kinect_urdf.launch文件内容和display_mbot_urdf.launch文件内容基本一致，需要修改urdf相关模型的路径
<!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 -->
<param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_with_kinect.urdf " />
在meshes文件中创建纹理描述信息。
新建文件名称： kinect.dae
文件下载可以参考该链接（下载需要VIP）：
https://download.csdn.net/download/weixin_43262513/10990016
查看显示效果
roslaunch mbot_description display_mbot_with_kinect_urdf.launch
由于无法获得kinect纹理描述信息的文件，所有就无法得到它的显示效果。
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
整个内容比较多，但是有较多部分都是重复的，只有理解到一部分内容，其他的内容可以根据理解部分的内容去理解。
参考链接
1.URDF机器人建模 理论+实践
2.ROS学习笔记------ROS机器人系统设计-----基础编程 day 7 2019/3/2 帅某（URDF机器人建模，urdf功能包的建立，urdf相关模型建立代码已经上传）
3.圆柱urdf：Could not find the GUI, install the ‘joint_state_publisher_gui’ package.RVIZ成功启动不显示圆柱模型