ROS2学习CH4 Urdf，Xacro与Sdf

urdf与xacro

URDF： Unified Robot Description Format，一种用于描述机器人模型的XML格式。

urdf主要的作用：

- 描述机器人模型的结构和属性，包括关节、连杆、传感器等，这部分方便去建立机器人的tf树。
- 提供机器人模型的可视化和仿真支持。
- 支持机器人运动学和动力学计算。

urdf中的主要元素

link: 描述刚体部分，一个机器人通常是由多个link结合组成的

对于link，有几个子属性可以设置

  • name: link的名称，必须唯一
  • visual: 描述link的外观，包括geometry和material等属性
  • collision: 描述link的碰撞模型，包括geometry和material等属性
    即对于一个link，其外表和实际的碰撞模型可以不同，visual用于可视化，collision用于碰撞检测
  • inertial: 描述link的惯性属性，包括质量、质心位置和惯性矩阵等属性

joint: 描述link之间的连接关系，定义了link之间的运动约束和自由度

对于joint，其也有几个子属性可以设置

  • name: joint的名称，必须唯一

  • type: joint的类型，包括continuous、prismatic、fixed（固定）d等

  • parent link: joint连接的父link

  • child link: joint连接的子link

    这里即表述child link连接到parent link上

  • axis: joint的旋转轴或平移轴

  • origin: joint在世界坐标系中的位置和方向(相对于父link的x,y,z和roll,pitch,yaw)

编写URDF与Xacro文件

下面是一个简单的urdf例子。

<?xml version="1.0"?>
<!-- 上面定义了本文件是一个xml文件以及声明版本 -->
<robot name="sam_bot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="${base_length} ${base_width} ${base_height}"/>
      </geometry>
      <material name="Cyan"> 
        <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
        <!-- rgba参考jpg，a即为透明度 -->
      </material>
      <!-- Cyan：自定义的材料名称 -->
    </visual>
  </link>
</robot>

可以看到整体的结构可以如下所示

robot（机器人：sam_bot）
└── link（连杆：base_link）
    └── visual（可视化外观）
        ├── geometry（几何形状）
        │   └── box（长方体）
        │       └── size：${base_length} ${base_width} ${base_height}
        └── material（材质：Cyan）
            └── color（颜色）
                └── rgba：0 1.0 1.0 1.0

也就是说，urdf文件的结构是层级化的，每个元素都有自己的属性和子元素，通过这种方式可以描述机器人的各个部分及其关系。

上面的例子中，使用urdf描述了一个机器人的主体部分（base_link），他现在只有一个正方形的身体，如果后续给他添加轮子，那么就需要添加一个轮子的link以及添加一个在base_link和轮子link之间的joint，来描述轮子和主体之间的连接关系。

<link name="left_wheel_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
      <material name="Black">
        <color rgba="0 0 0 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
<!-- 上面定义了一个左侧轮子的link描述 -->
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel_link"/>
    <origin xyz="${left_wheel_x} ${left_wheel_y} ${left_wheel_z}" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
<!-- 上面定义了一个左侧轮子的joint描述，将左侧轮子连接到主体上 -->

显然对于有两个轮子的机器人，我们需要重复的添加一个右侧轮子的link和joint描述。此时我们可以使用xacro来简化这个过程，xacro是一个宏语言，可以在urdf中使用变量和宏定义，从而减少重复代码。

要想在urdf中使用xacro，需要在文件开头添加xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"的声明，说明在此xml文件中可以使用xacro的语法。

一些xacro的语法示例：

  • 定义：
<!-- 1. 定义一个名为wheel_radius的变量，其值为0.1 -->
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.1"/>

<!-- 2. 引用变量 -->
radius="${wheel_radius}" 

<!-- 3. 定义宏函数 -->
<xacro:macro name="wheel" params="name wheel_radius wheel_width">
  <!-- 在这里可以使用urdf描述定义宏函数的具体内容,使用${name}或者${wheel_radius}等变量 -->
</xacro:macro>
<!-- 上面相当于定义了 wheel(name, wheel_radius, wheel_width)这样一个函数 -->

<!-- 4. 调用宏函数 -->
<xacro:wheel name="left_wheel" wheel_radius="${wheel_radius}" wheel_width="${wheel_width}"/>
<!-- 即使用宏名加参数调用宏函数 -->

这样的话，我们就可以使用xacro来定义一个轮子的宏函数，然后在urdf中调用这个宏函数来生成左轮和右轮的link和joint，从而减少重复代码。

  <!-- Wheels -->
  <xacro:macro name="wheel" params="prefix x_reflect y_reflect">
    <link name="${prefix}_link">
      <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="${pi/2} 0 0"/>
        <geometry>
            <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
        </geometry>
        <material name="Gray">
          <color rgba="0.5 0.5 0.5 1.0"/>
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="${prefix}_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${prefix}_link"/>
      <origin xyz="${x_reflect*wheel_xoff} ${y_reflect*(base_width/2+wheel_ygap)} ${-wheel_zoff}" rpy="0 0 0"/>
      <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

上面的描述通过控制x_reflect和y_reflect的值来控制轮子的位置，从而可以生成左轮和右轮的link和joint。

最后贴上一个完整的xacro文件示例：

点击展开 URDF / Xacro 代码 
<?xml version="1.0"?>
<robot name="sam_bot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">
<!-- urdf的根元素就是一个robot，其他的元素用来描述(discription)这个robot -->
<!-- xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro", 类比与C++中的namespace，这里也是
声明xml文件使用了xmlns命名空间下的xacro -->

  <!-- Define robot constants -->
  <xacro:property name="base_width" value="0.31"/>
  <xacro:property name="base_length" value="0.42"/>
  <xacro:property name="base_height" value="0.18"/>

  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.10"/>
  <xacro:property name="wheel_width" value="0.04"/>
  <xacro:property name="wheel_ygap" value="0.025"/>
  <xacro:property name="wheel_zoff" value="0.05"/>
  <xacro:property name="wheel_xoff" value="0.12"/>

  <xacro:property name="caster_xoff" value="0.14"/>
  <!-- 上面使用了xacro的property标签来定义常量，以后使用
  这些常量需要通过${常量名}语法来引用 -->

  <!-- Robot Base -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="${base_length} ${base_width} ${base_height}"/>
      </geometry>
      <material name="Cyan"> 
        <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
      </material>
      <!-- Cyan：自定义的材料名称 -->
    </visual>
  </link>


  <!-- Robot Footprint -->
  <link name="base_footprint"/>

  <joint name="base_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="base_footprint"/>
    <origin xyz="0.0 0.0 ${-(wheel_radius+wheel_zoff)}" rpy="0 0 0"/>
  </joint>



  <!-- Wheels -->
  <xacro:macro name="wheel" params="prefix x_reflect y_reflect">
    <link name="${prefix}_link">
      <visual>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="${pi/2} 0 0"/>
        <geometry>
          <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
        </geometry>
        <material name="Gray">
          <color rgba="0.5 0.5 0.5 1.0"/>
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="${prefix}_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${prefix}_link"/>
      <origin xyz="${x_reflect*wheel_xoff} ${y_reflect*(base_width/2+wheel_ygap)} ${-wheel_zoff}" rpy="0 0 0"/>
      <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

<!-- 上面展示了如何使用xacro宏来定义部件 -->
<!-- <xacro:macro name="wheel" params="prefix x_reflect y_reflect">
相当于定义了一个函数 wheel(prefix, x_reflect, y_reflect),以后可以使用
xacro:wheel prefix=""， x_reflect="", y_reflect="" 去调用这个宏 -->

<!-- 下面使用刚才的宏描述机器人的左右两个轮子 -->
  <xacro:wheel prefix="drivewhl_l" x_reflect="-1" y_reflect="1" />
  <xacro:wheel prefix="drivewhl_r" x_reflect="-1" y_reflect="-1" />



  <!-- Caster Wheel(机器人前下的万向轮) -->
  <link name="front_caster">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="${(wheel_radius+wheel_zoff-(base_height/2))}"/>
      </geometry>
      <material name="Cyan">
        <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="caster_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="front_caster"/>
    <origin xyz="${caster_xoff} 0.0 ${-(base_height/2)}" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
</robot>

但是需要注意的是，Xacro与Urdf并无本质关系，Xacro只是xml文件支持的宏语言，通过使用Xacro的宏展开功能,可以减少Urdf文件的重复代码,提高可读性和可维护性，所以Xacro只是Urdf的一个辅助工具。

编写完带有xacro的urdf文件后，需要执行xacro相关的命令去宏展开得到最终的urdf文件，才能被ros2使用。

xacro path/to/your_robot.xacro

该命令会将宏展开的结果输出到终端，如果想将结果保存到文件中，可以使用重定向：

xacro path/to/your_robot.xacro > path/to/your_robot.urdf

当然不难看出，，我们一直在混淆xacro和urdf的格式，由于两者都是xml格式，所以即使后缀是.urdf的文件，也可以使用xacro的语法，只要在文件开头声明了xacro的命名空间即可，而且可以使用xacro命令去宏展开得到最终的urdf文件。但是为了明晰，建议将带有xacro语法的文件命名为.xacro后缀，而将宏展开后的文件命名为.urdf后缀。

sdf

sdf： Simulation Description Format，一种用于描述机器人模型的XML格式。不同于urdf，sdf不仅可以描述机器人模型，还可以描述仿真环境的模型以及添加仿真插件等。

我们可以使用sdf来复现上面使用urdf描述的机器人模型，sdf的语法与urdf类似，但是有一些不同之处。

点击展开 Sdf 代码 
<?xml version="1.0"?>
<sdf version="1.8" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">
  <model name="sam_bot">

    <!-- 依旧使用xacro去定义一些变量 -->
    <xacro:property name="base_width" value="0.31"/>
    <xacro:property name="base_length" value="0.42"/>
    <xacro:property name="base_height" value="0.18"/>

    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.10"/>
    <xacro:property name="wheel_width" value="0.04"/>
    <xacro:property name="wheel_ygap" value="0.025"/>
    <xacro:property name="wheel_zoff" value="0.05"/>
    <xacro:property name="wheel_xoff" value="0.12"/>

    <xacro:property name="caster_xoff" value="0.14"/>

    <!-- Robot Base -->
    <link name="base_link">
      <must_be_base_link>true</must_be_base_link>

      <visual name="base_link_visual">
        <geometry>
          <box>
            <size>${base_length} ${base_width} ${base_height}</size>
          </box>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>0 1 1 1</ambient>
          <diffuse>0 1 1 1</diffuse>
        </material>
      </visual>
    </link>

    <!-- Robot Footprint -->
    <link name="base_footprint">
      <pose relative_to="base_joint"/>
    </link>

    <joint name="base_joint" type="fixed">
      <parent>base_link</parent>
      <child>base_footprint</child>
      <pose relative_to="base_link">0.0 0.0 ${-(wheel_radius+wheel_zoff)} 0 0 0</pose>
    </joint>

    <!-- Wheels -->
    <xacro:macro name="wheel" params="prefix x_reflect y_reflect">
      <link name="${prefix}_link">
        <pose relative_to="${prefix}_joint"/>

        <visual name="${prefix}_link_visual">
          <pose relative_to="${prefix}_link">0 0 0 ${pi/2} 0 0</pose>
          <geometry>
            <cylinder>
              <radius>${wheel_radius}</radius>
              <length>${wheel_width}</length>
            </cylinder>
          </geometry>
          <material>
            <ambient>0.3 0.3 0.3 1.0</ambient>
            <diffuse>0.7 0.7 0.7 1.0</diffuse>
          </material>
        </visual>
      </link>

      <joint name="${prefix}_joint" type="revolute">
        <parent>base_link</parent>
        <child>${prefix}_link</child>
        <pose relative_to="base_link">
          ${x_reflect*wheel_xoff} ${y_reflect*(base_width/2+wheel_ygap)} ${-wheel_zoff} 0 0 0
        </pose>
        <axis>
          <xyz>0 1 0</xyz>
          <limit>
            <lower>-inf</lower>
            <upper>inf</upper>
          </limit>
        </axis>
      </joint>
    </xacro:macro>

    <xacro:wheel prefix="drivewhl_l" x_reflect="-1" y_reflect="1"/>
    <xacro:wheel prefix="drivewhl_r" x_reflect="-1" y_reflect="-1"/>

    <!-- Front caster -->
    <link name="front_caster">
      <pose relative_to="caster_joint"/>

      <visual name="front_caster_visual">
        <geometry>
          <sphere>
            <radius>${(wheel_radius+wheel_zoff-(base_height/2))}</radius>
          </sphere>
        </geometry>
        <material>
          <ambient>0 1 1 1</ambient>
          <diffuse>0 1 1 1</diffuse>
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="caster_joint" type="fixed">
      <parent>base_link</parent>
      <child>front_caster</child>
      <pose relative_to="base_link">${caster_xoff} 0.0 ${-(base_height/2)} 0 0 0</pose>
    </joint>

  </model>
</sdf>

大部分的标签都是自然语言直接能看懂的。介绍几个新增的标签

  1. <sdf>
  • 包含 version 属性，以及 <model>、<world> 等元素。
  • 作用：作为 SDF 文件的根标签，指定使用的 SDF 版本。

  1. <model>

    • 包含 <link>、<joint> 等元素。
    • 作用：描述一个完整的机器人或模型。

  2. <must_be_base_link>

    • 内容为 true 或 false。
    • 作用：指定当前 link 是否作为模型的基础 link。

  3. <pose>

    • 包含：
      x y z roll pitch yaw
    • 可带 relative_to 属性。
    • 作用：描述当前元素的位置和姿态。

  4. relative_to

    • 写在 <pose> 标签中，例如：
      <pose relative_to="base_link">
    • 作用：指定当前 pose 是相对于哪个坐标系定义的。

  5. <visual name="...">

    • 包含 <pose>、<geometry>、<material> 等元素。
    • 作用：描述 link 的外观和显示位置。

  6. <ambient>

    • 包含 R G B A 四个数值。
    • 作用：设置材质在环境光下的颜色。

  7. <diffuse>

    • 包含 R G B A 四个数值。
    • 作用：设置材质受到光照后的漫反射颜色。

  8. <axis>

    • 包含 <xyz>、<limit> 等元素。
    • 作用：描述旋转关节的旋转轴以及运动范围。

  9. <limit>

    • 包含 <lower>、<upper> 等元素。
    • 作用：限制关节允许运动的范围。

当然，上面的sdf以及urdf/xacro文件中仅仅只是描述了机器人的外观和结构，并没有描述机器人的动力学特性以及传感器等信息，这些信息可以通过描述碰撞标签（collision）以及引入插件（plugin）来实现。

posted @ 2026-09-22 20:30  凪风sama  阅读(15)  评论(0)    收藏  举报