ROS2之URDF建模
ROS是机器人操作系统，当然要给机器人使用啦，不过在使用之前，还得让ROS认识下我们使用的机器人，如何把一个机器人介绍给ROS呢？
为此，ROS专门提供了一种机器人建模方法——URDF，用来描述机器人外观、性能等各方面属性。
一、URDF语法
1.1 机器人的组成
建模描述机器人的过程中，我们自己需要先熟悉机器人的组成和参数，比如机器人一般是由硬件结构、驱动系统、传感器系统、控制系统四大部分组成，市面上一些常见的机器人，无论是移动机器人还是机械臂，我们都可以按照这四大组成部分进行分解。
其中：
- 硬件结构就是底盘、外壳、电机等实打实可以看到的设备；
- 驱动系统就是可以驱使这些设备正常使用的装置，比如电机的驱动器，电源管理系统等；
- 传感系统包括电机上的编码器、板载的
IMU、安装的摄像头、雷达等等，便于机器人感知自己的状态和外部的环境； - 控制系统就是我们开发过程的主要载体了，一般是树莓派、电脑等计算平台，以及里边的操作系统和应用软件。
机器人建模的过程，其实就是按照类似的思路，通过建模语言，把机器人每一个部分都描述清楚，再组合起来的过程。
1.2 什么是URDF
URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）是一种XML格式的文件，用于从物理和逻辑上描述一个机器人模型。
你可以把它理解为机器人的数字说明书或三维装配图，它告诉计算机：
- 机器人由哪些零件（连杆、关节）组成；
- 这些零件长什么样（形状、尺寸、颜色）；
- 零件之间如何连接（位置、旋转、运动类型）；
- 零件的物理属性（质量、惯性）；
1.3 URDF组成
URDF主要描述两大核心元素：
- 连杆（
Link）：代表机器人的刚性部件，如机械臂的每一节臂杆、底盘、轮子、传感器支架等，包括：- 视觉属性：形状（立方体、圆柱体、网格模型）、尺寸、颜色、纹理；
- 碰撞属性：用于物理仿真的简化几何形状；
- 惯性属性：质量、转动惯量（对仿真至关重要）。
- 关节（
Joint）：定义连杆之间的连接方式和运动关系，主要类型：- 固定关节（
fixed）：完全固定连接； - 旋转关节（
revolute）：绕单轴旋转，有角度限制（如机械臂关节）； - 连续关节（
continuous）：无限旋转（如轮子）； - 平移关节（
prismatic）：线性滑动； - 平面关节（
planar）：在平面内运动； - 浮动关节（
floating）：完全自由（6自由度）。
- 固定关节（
机器人描述由一组连杆元素和一组将连杆连接起来的关节元素组成；
因此，典型的机器人描述大致如下所示：
<?xml version="1.0"?>
<?xml-model href="https://raw.githubusercontent.com/ros/urdfdom/master/xsd/urdf.xsd" ?>
<robot name="pr2" xmlns="http://www.ros.org">
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<link> ... </link>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
<joint> .... </joint>
</robot>
可以看到，URDF格式的根元素是一个 <robot> 元素。
1.3.1 link元素
link元素描述了一个具有惯性、视觉特征和碰撞属性的刚体。以下是一个link元素的示例：
<link name="my_link">
<inertial>
<origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
<mass value="1"/>
<inertia ixx="100" ixy="0" ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
</inertial>
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="1 1 1" />
</geometry>
<material name="Cyan">
<color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
</material>
</visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<cylinder radius="1" length="0.5"/>
</geometry>
</collision>
</link>
link元素有一个属性，即name（必选）：用来描述连杆本身的名称.。此外，link包含若干部元素，接下来我们一一介绍。
1.3.1.1 惯性属性inertial
inertial（可选）：用于描述连杆的质量、其质心的位置以及其中心惯性属性。
其下可以包含如下元素：
origin（可选）：此位姿（平移、旋转）描述了连杆质心坐标系C相对于连杆坐标系L的位置和方向。xyz(可选)：表示从Lo（连杆坐标系原点）到Co（连杆质心）的位置向量，形式为x L̂x + y L̂y + z L̂z，其中L̂x、L̂y、L̂z是连杆坐标系L的正交单位向量；rpy（可选）：表示C的单位向量Ĉx、Ĉy、Ĉz相对于连杆坐标系L的方向，以欧拉旋转（横滚roll、俯仰pitch、偏航yaw）序列表示，单位为弧度。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz不需要与连杆的惯性主轴对齐；
mass：连杆的质量由该元素的value属性表示；inertia：此连杆关于Co（连杆质心）的惯性矩ixx、iyy、izz和惯性积ixy、ixz、iyz，这些值对应于固定在质心坐标系C中的单位向量Ĉx、Ĉy、Ĉz。注意：Ĉx、Ĉy、Ĉz相对于L̂x、L̂y、L̂z的方向由<origin>标签中的rpy值指定。
1.3.1.2 视觉属性visual
visual（可选）：连杆的视觉属性，此元素指定了用于可视化目的的对象形状（长方体、圆柱体等）。
注意：同一个连杆可以存在多个 <visual> 标签实例。它们定义的几何体的并集形成了该连杆的视觉表示。
其下可以包含如下元素：
origin(可选)：视觉元素相对于连杆坐标系的参考坐标系；xyz(可选)：分别是x、y、z方向上的平移；py(可选)：表示固定轴的横滚、俯仰和偏航角度，单位为弧度；
geometry（必选）：表示几何形状，可以是以下之一：<box>size属性包含长方体的三个边长，长方体的原点位于其中心；
<cylinder>- 指定半径和长度。圆柱体的原点位于其中心；
<sphere>- 指定半径。球体的原点位于其中心；
<mesh>- 由文件名指定的三角网格元素，以及一个可选的缩放比例，用于缩放网格的轴对齐边界框。任何几何格式都可以接受，但具体应用程序的兼容性取决于实现。对于最佳纹理和颜色支持，推荐的格式是
Collada .dae文件。引用同一模型的机器之间不会传输网格文件。它必须是本地文件。在文件名前加上package://<packagename>/<path>可以使网格文件的路径相对于包<packagename>。
- 由文件名指定的三角网格元素，以及一个可选的缩放比例，用于缩放网格的轴对齐边界框。任何几何格式都可以接受，但具体应用程序的兼容性取决于实现。对于最佳纹理和颜色支持，推荐的格式是
material（可选）：视觉元素的材质，其name属性可以用于指定材质的名称；<color>(可选)rgba由一组四个数字（代表红/绿/蓝/透明度alpha）指定的材质颜色，每个数字的范围为 [0,1]；
<texture>(可选)- 材质的纹理由文件名指定。
1.3.1.3 碰撞属性collision
collision用于描述碰撞参数，里边的内容似乎和<visual>一样，也有<geometry>和<origin>，看似相同，其实区别还是比较大的；
origin(可选)：碰撞元素相对于连杆坐标系的参考坐标系；xyz(可选)：分别是x、y、z方向上的平移；py(可选)：表示固定轴的横滚、俯仰和偏航角度，单位为弧度；
geometry：请参见上述视觉元素中的几何描述。
1.3.2 joint元素
joint元素描述了关节的运动学和动力学特性，并指定了关节的安全限制。
以下是一个 joint元素的示例：
<joint name="my_joint" type="floating">
<origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
<parent link="link1"/>
<child link="link2"/>
<calibration rising="0.0"/>
<dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
<limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
<safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
</joint>
下面图中，蓝色关节表示出一个运动的轴，蓝色关节是可以围绕蓝色的轴旋转的，也就是child这个link是可以围绕joint上下旋转。
joint连接两个link，需要分一个主次关系，主关节是parent link，子关节是child link， 在xml形式的描述中这个两个link是必须存在的。
joint元素有两个属性：
-
name（必须）：指定关节的唯一名称； -
type（必须）：指定关节的类型，类型可以是以下之一；-
revolute：旋转关节，和continuous类型的区别在于不能无限旋转，而是带有角度限制，比如机械臂的两个连杆，就属于这种运动； -
continuous：旋转关节，可以围绕单轴无限旋转；比如小车的轮子，就属于这种类型； -
prismatic：滑动关节，可以沿某一个轴平移，也带有位置的极限，一般直线电机就是这种运动方式； -
fixed：固定关节，是唯一一种不允许运动的关节，不过使用还是比较频繁的，比如相机这个连杆，安装在机器人上，相对位置是不会变化的，此时使用的连接方式就是fixed； -
floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动； -
planar：平面关节，允许在平面正交方向上平移或者旋转；
-
此外，joint包含若干部元素，接下来我们挑选部分介绍介绍。
1.3.2.1 origin
origin（可选）：表示从父连杆到子连杆的变换，元素属性有：
xyz(可选)：表示x、y、z偏移量，所有位置均以米为单位指定；rpy(可选)：表示绕固定轴的旋转：先绕x轴横滚（roll），然后绕y轴俯仰（pitch），最后绕z轴偏航（yaw），所有角度均以弧度为单位指定。
1.3.2.2 parent
parent描述父连杆名称，元素属性有：
link：在机器人树结构中作为此连杆父连杆的连杆名称。
1.3.2.3 child
child描述子连杆名称，元素属性有：
link：作为子连杆的连杆名称。
1.3.2.4 calibration
关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置。
1.3.2.5 dynamics
描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到。
1.3.2.6 limit
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、力矩限制等。
1.3.2.7 mimic
描述该关节与已有关节的关系。
1.3.2.8 safety_controller
描述安全控制器参数。保护机器人关节的运动。
二、URDF案例
创建my_learning_urdf的Python版本的功能包；
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ cd src
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src$ ros2 pkg create --build-type ament_python my_learning_urdf
在包中创建如下文件夹：
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；launch：保存相关启动文件；rviz：保存rviz的配置文件。
我们需要修改setup.py文件，添加配置文件：
import os
from glob import glob
...
data_files=[
('share/ament_index/resource_index/packages',
['resource/' + package_name]),
('share/' + package_name, ['package.xml']),
(os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*.launch.py'))),
(os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob(os.path.join('urdf', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'urdf/sensors'), glob(os.path.join('urdf/sensors', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'meshes'), glob(os.path.join('meshes', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.rviz'))),
],
...
2.1 模型文件
在urdf下新建文件mbot_base.urdf；
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" /> <!-- 机器人中心，坐标系原点 -->
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/> <!-- 直径0.4m，高0.16m的圆柱 -->
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/> <!-- 橙黄色 -->
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/> <!-- 位置：Y轴+0.19，Z轴-0.05 -->
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/> <!-- 绕Y轴旋转 -->
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" /> <!-- 旋转90度（π/2=1.5707） -->
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/> <!-- 半径0.06m，厚0.025m -->
</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>
</robot>
这将会创建一个两轮差分驱动机器人的URDF模型，包含若干个部分。
2.1.1 1个主体base_link
圆柱体（直径0.4米，高0.16米），橙黄色，机器人中心，坐标系原点。
2.1.2 2个驱动轮（左右轮）
分别为left_wheel_link、right_wheel_link：
left_wheel_link：- 圆柱体（半径
0.06米，厚度0.025米）； - 在基座坐标系中
(0, 0.19, -0.05)； - 关节类型：
continuous（连续旋转关节，无限旋转）； - 旋转轴：绕
Y轴(0, 1, 0)； - 视觉旋转：
rpy="1.5707 0 0"将圆柱旋转90度，使其直立（假设原始圆柱是平放的）；
- 圆柱体（半径
right_wheel_link：与左轮对称布置，Y坐标为负；
2.1.3 2个万向轮（前后脚轮，用于支撑）
分别为front_caster_link、back_caster_link：
front_caster_link：- 形状：小球体（半径
0.015米），模拟万向轮； - 在基座坐标系中前方
(0.18, 0, -0.095)； - 颜色：黑色；
- 形状：小球体（半径
back_caster_link：与前万向轮对称布置，X坐标为负（-0.18）。
2.2 launch文件
在launch文件夹下创建display.launch.py文件；
from ament_index_python.packages import get_package_share_path
from launch import LaunchDescription
from launch.actions import DeclareLaunchArgument
from launch.conditions import IfCondition, UnlessCondition
from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration
from launch_ros.actions import Node
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue
def generate_launch_description():
urdf_tutorial_path = get_package_share_path('my_learning_urdf')
# 设置默认的URDF文件和RViz配置文件路径
default_model_path = urdf_tutorial_path / 'urdf/mbot_base.urdf'
default_rviz_config_path = urdf_tutorial_path / 'rviz/urdf.rviz'
# 命令行参数：--gui true/false，控制是否使用GUI界面发布关节状态
gui_arg = DeclareLaunchArgument(name='gui', default_value='false', choices=['true', 'false'],
description='Flag to enable joint_state_publisher_gui')
# 命令行参数：--model <路径>，指定URDF文件路径
model_arg = DeclareLaunchArgument(name='model', default_value=str(default_model_path),
description='Absolute path to robot urdf file')
# 命令行参数：--rvizconfig <路径>，指定RViz配置文件
rviz_arg = DeclareLaunchArgument(name='rvizconfig', default_value=str(default_rviz_config_path),
description='Absolute path to rviz config file')
# 关键：使用xacro命令解析URDF文件（支持参数化、宏等高级特性）
robot_description = ParameterValue(Command(['xacro ', LaunchConfiguration('model')]),
value_type=str)
# robot_state_publisher 节点
robot_state_publisher_node = Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
parameters=[{'robot_description': robot_description}]
)
# 关节状态发布器（二选一）
# 文本版本（无GUI）
joint_state_publisher_node = Node(
package='joint_state_publisher',
executable='joint_state_publisher',
condition=UnlessCondition(LaunchConfiguration('gui'))
)
# GUI版本（带滑动条控制）
joint_state_publisher_gui_node = Node(
package='joint_state_publisher_gui',
executable='joint_state_publisher_gui',
condition=IfCondition(LaunchConfiguration('gui'))
)
# rviz2 可视化节点
rviz_node = Node(
package='rviz2',
executable='rviz2',
name='rviz2',
output='screen',
arguments=['-d', LaunchConfiguration('rvizconfig')],
)
return LaunchDescription([
gui_arg,
model_arg,
rviz_arg,
joint_state_publisher_node,
joint_state_publisher_gui_node,
robot_state_publisher_node,
rviz_node
])
这个Launch文件主要做三件事：
- 加载机器人
URDF模型（支持xacro格式）； - 发布机器人的状态变换（
TF）； - 在
rviz2中可视化机器人。
2.2.1 节点
脚本运行会创建以下几个节点：
joint_state_publisher：发布每个joint（除fixed类型）的状态，一个无界面的、基础版的关节状态发布器；joint_state_publisher_gui：发布每个joint（除fixed类型）的状态，可以通过UI界面对joint进行控制；robot_state_publisher：将机器人各个links、joints之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态信息发布。rviz2：在rviz2中可视化机器人；
joint_state_publisher这是一个官方ROS2包，主要功能：
-
输入：
-
读取
URDF中的关节定义； -
接收用户或程序指定的关节角度；
-
-
输出：
-
发布
/joint_states话题，消息类型为sensor_msgs/msg/JointState； -
包含所有关节的名称、位置、速度、力等信息。
-
2.2.2 数据流与节点关系
数据流与节点关系:
用户通过滑动条/GUI或程序 → joint_state_publisher(_gui)
↓ 发布/joint_states话题
robot_state_publisher
↓ 计算并发布TF变换
rviz2 和其他节点
↓ 接收TF并可视化
2.3 urdf.rviz
在rviz目录下新建urdf.rviz文件；
Panels:
- Class: rviz_common/Displays
Name: Displays
- Class: rviz_common/Views
Name: Views
Visualization Manager:
Class: ""
Displays:
- Class: rviz_default_plugins/Grid
Name: Grid
Value: true
- Alpha: 0.8
Class: rviz_default_plugins/RobotModel
Description Source: Topic
Description Topic:
Value: /robot_description
Enabled: true
Name: RobotModel
Value: true
- Class: rviz_default_plugins/TF
Name: TF
Value: true
Global Options:
Fixed Frame: base_link
Frame Rate: 30
Name: root
Tools:
- Class: rviz_default_plugins/MoveCamera
Value: true
Views:
Current:
Class: rviz_default_plugins/Orbit
Distance: 1.7
Name: Current View
Pitch: 0.33
Value: Orbit (rviz)
Yaw: 5.5
Window Geometry:
Height: 800
Width: 1200
2.4 编译运行
编译程序：
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ colcon build --paths src/my_learning_urdf
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ source install/setup.sh
2.4.1 可视化
启动终端，运行如下命令；
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ ros2 launch my_learning_urdf display.launch.py
很快就可以看到rviz中显示的机器人模型啦，大家可以使用鼠标拖拽观察；
从可视化的效果来看，这个机器人由5个link和4个joint组成。
2.4.2 查看URDF模型结构
我们分析的对不对呢，可以在模型文件的路径下，使用urdf_to_graphviz这个小工具来分析下;
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src/my_learning_urdf/urdf$ urdf_to_graphviz mbot_base.urdf
WARNING: OUTPUT not given. This type of usage is deprecated!Usage: urdf_to_graphviz input.xml [OUTPUT] Will create either $ROBOT_NAME.gv & $ROBOT_NAME.pdf in CWD or OUTPUT.gv & OUTPUT.pdf.
Created file mbot.gv
Created file mbot.pdf
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src/my_learning_urdf/urdf$ ls
mbot_base.urdf mbot.gv mbot.pdf
运行成功后会产生一个pdf文件，打开之后就可以看到URDF模型分析的结果啦，是不是和我们的猜测完全相同呢！
参考文章
[1] 古月居ROS2入门教程学习笔记
浙公网安备 33010602011771号