ROS建模 urdf

 

在 ROS中，机器人以URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格 式）描述，它可以表示为三维模型，并且每个模型可以根据自由度进行移动或驱动，因 此可以用于仿真或控制。

让我们为由三个关节和四个连杆组成的机械 手臂创建一个简单的URDF。

首先，按如下所示创建testbot_description功能包，然后创建urdf目录。然后使用编 辑器创建一个testbot.urdf文件，并输入下面的URDF例程。

mkdir -p ~/testbot_ws/src
cd ~/testbot_ws/src
catkin_create_pkg testbot_description urdf
cd testbot_description
mkdir urdf
cd urdf
gedit testbot.urdf

　　

代码如下：

https://gitee.com/kay2020/ros_tutorials/blob/master/testbot_description/urdf/testbot.urdf

 

URDF使用XML标签来描述机器人的每个组件。以URDF形式先描述机器人的名称、 基座（在URDF中将基座看作一个固定的连杆）的名称和类型、连接到基座的连杆，之后 逐一说明连杆和关节的内容。连杆描述连杆的名称、大小、重量和惯性等。关节描述每个 关节的名称、类型和连接的连杆。并且可以很容易地设置机器人的动力学元素、可视化和 碰撞模型。URDF是以标签来开始，详细内容中通常会反复交替出现标签 和标签，这两种标签都用于定义机器人的组件-连杆和关节。其中，为了与ROSControl共用，通常还包括用于设置关节和舵机之间的关系的标签。接 着，让我们仔细看看我们创建的testbot.urdf。 material标签描述连杆的颜色和纹理等信息。在下面的例子中，我们定义了两种材 质，黑色和橙色，以区分每个连杆。颜色是利用color标签，可以在rgba选项后面输入对 应于红色、绿色和蓝色的三个0.0到1.0之间的一个数字来分别设置。最后一个数字的透明 度（alpha）值为0.0到1.0，值为1.0意味着没有透明度。

<material name=”black”>
 <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
</material>
<material name="orange">
 <color rgba="1.0 0.4 0.0 1.0"/>
</material>

　　

机械手臂的第一种组件，基座在URDF中以连杆表示。基座通过关节连接到第一个 连杆，这个关节是固定的，位于原点（0,0,0）。为了进行更多关于标签的详细描 述，我们先来看第一个连杆（link1）标签。

<link name=”base”/>
<joint name="fixed" type="fixed">
 <parent link="base"/>
 <child link="link1"/>
</joint>
<link name="link1">
 <collision>
 <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
 <geometry>
 <box size="0.1 0.1 0.5"/>
 </geometry>
 </collision>
 <visual>
 <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
 <geometry>
 <box size="0.1 0.1 0.5"/>
 </geometry>
 <material name="black"/>
 </visual>
 <inertial>
 <origin xyz="0 0 0.25" rpy="0 0 0"/>
 <mass value="1"/>
 <inertia ixx="1.0" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="1.0" iyz="0.0" izz="1.0"/>
 </inertial>
</link>

　　

 如上面的link1例子，URDF 标签由碰撞（collision）、视觉（visual）和惯 性（inertial）标签（见图13-7）组成。collision标签允许您输入表示连杆的外形范围的 几何信息。origin写外形范围的中心坐标。geometry写以origin坐标为中心的外形范围 的形状和大小。例如，长方体类型的外形范围是长、宽和高的值。除长方体形式以外， 还有圆柱型和球型，他们的输入内容各不相同。在visual标签中写下实际的形状。origin 和geometry与collision标签相同。而且也可以在这里输入CAD文件，如STL和DAE。 collision标签可以在CAD模型中使用，但仅适用于ODE或Bullet等部分物理引擎，不支 持DART和Simbody等。在inertial标签中，输入连杆的重量（质量单位为kg）和惯性矩 （惯性矩单位为kg·m2 ）。这种惯性信息可以通过设计软件、实际测量和计算得到，用于 动力学仿真。 testbot.urdf示例中描述的link1、link2和link4的原点与各自的上部关节（分别为 fixed、joint1和joint3）的原点相距0.25m，而这三个连杆的外形是以这个移动的原点为 中心的长宽各0.1m，高0.5m（z轴正方向0.25m，z轴负方向0.25m）的长方体。link3的 原点与上部关节（joint2）的原点相距0.5m，且link3的外形是以这个移动的原点为中心 的长宽各0.1m，高1m的长方体。 在第一次遇到URDF时对于相对坐标变换的理解是相当困难的。一边直观地查看图 形，一边理解各设定值会容易得多。为了更好地理解，可以通过图13-12观察各轴的相对 坐标变换在RViz上是如何表现的，并通过修改设定值观察RViz上的变化。笔者建议读者 务必尝试一下。

 

 

 

接下来，我们来看看连接相邻连杆的关节（joint）标签。关节标签描述了关节的特 征，如图13-8所示。具体来说它描述关节的名称和类型，如revolute（旋转运动型）、 prismatic(平移运动型）、continuous（连续旋转的轮）、fixed（固定型）、floating （非固定）和planar（在与轴垂直的平面移动的形态）。它还描述连接的两个连杆的名 称、关节的位置、旋转和平移运动的基准轴的动作限制。连接的连杆根据位置称为父连杆 （parent link）和子连杆（child link），父连杆通常是靠近基座的连杆。以下示例显示 了joint2关节的设置。

 

<joint name=”joint2” type=”revolute”>
 <parent link="link2"/>
 <child link="link3"/>
 <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
 <axis xyz="0 1 0"/>
 <limit effort="30" lower="-2.617" upper="2.617" velocity="1.571"/>
</joint>

　　

为了更深入理解，让我们仔细了解一下。joint2的类型（type）设置为一种运动型关 节revolute。父连杆（parent link）设置为link2，而子连杆设置为link3。另外，origin 中以上级关节joint1的坐标系为原点，指定joint2的坐标系的相对位置姿态（位置+方 向）。例如，joint2坐标系的原点是joint1坐标系朝z轴方向相距0.5m的位置。下面是轴 设置。在轴设置axis中，如果是旋转型关节，则写入旋转轴的方向，如果是平移型关节， 则写入运动方向。在joint2的情况下，设定为在y轴方向上旋转的关节。limit设定了关 节运动的极限。属性包括给予关节的力（effort，单位N），最小、最大角度（下限，上 限，以弧度为单位）和速度（以弧度/秒）等物理量的限制值。

 

 

完成建模后，我们来检查每个连杆和关节，看它们是否逻辑正确。在ROS中，可以用 check_urdf命令来检查已创建的URDF的语法错误以及每个连杆的连接关系，如下例所 示。如果在语法和逻辑上没有问题，则可以看到连杆1、2、3和4正常连接，如下所示。

 check_urdf testbot.urdf

 

接下来，让我们来用关系图表示urdf_to_graphiz程序创建的模型吧。如果您运行 urdf_to_graphiz，则会创建一个.gv文件和一个.pdf文件。如果您用PDF阅读器，可以 一目了然地看到连杆与关节之间的关系，以及每个关节之间的相对坐标转换，如图13-9所 示。

 

urdf_to_graphiz testbot.urdf

　　

 

用check_urdf和urdf_to_graphiz是检查模型的连杆关系的最快的方法。最后，让我 们使用RViz检查机器人模型。为此，请转至testbot_description功能包目录并创建一个 testbot.launch文件，如以下示例所示。

 

cd ~/testbot_ws/src/testbot_description
mkdir launch
cd launch
vim testbot.launch

　　

 

 

<launch>
 <arg name="model" default="$(find testbot_description)/urdf/testbot.urdf" />
 <arg name="gui" default="True" />
 <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />
 <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>
 <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
 <node pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

　　

Launch文件由包含URDF的参数、joint_state_publisher36 节点和robot_state_ publisher37节点组成。joint_state_publisher节点通过sensor_msgs/JointState消息 的形式发布URDF形式的机器人的关节状态，并提供一个GUI工具来给关节提供命令。 robot_state_publisher节点以tf38消息的形式发布forward kinematics的结果，这个结 果是由URDF中设置的机器人信息和sensor_msgs/JointState话题信息来计算得出的。 （参见图13-10）。

 

运行launch文件时会运行joint_state_publisher节点的GUI，如图13-11所示。 在这里您可以调整joint1、2和3的关节值。此外，运行RViz后将[Fixed Frame]选为 “base”，点击左下方的Add按钮，添加“RobotModel”显示屏，就可以看到每个关 节和连杆的形状，如图13-12的上图所示。如果添加“TF”显示屏，并将机器人模型的 “Alpha”值修改为约0.3，则可以查看每个连杆的形状以及关节之间的关系，如图13-12 的下图所示。 如果调整了joint_state_publisher节点的GUI滑动条，则可以看到RViz上的虚拟机器 人的运动，如图13-13所示。