6.4 URDF使用語法【萬字解析趕緊碼住】
6.4 URDF使用語法
URDF 文件是一個標(biāo)準(zhǔn)的 XML 文件，在 ROS 中預(yù)定義了一系列的標(biāo)簽用于描述機(jī)器人模型，機(jī)器人模型可能較為復(fù)雜，但是 ROS 的 URDF 中機(jī)器人的組成卻是較為簡單的，可以主要簡化為兩部分:連桿(link標(biāo)簽) 與 關(guān)節(jié)(joint標(biāo)簽)，本節(jié)會介紹這些標(biāo)簽的使用語法，并通過相關(guān)案例強(qiáng)化大家對標(biāo)簽的認(rèn)識，主要標(biāo)簽如下：
robot 標(biāo)簽，這是整個 urdf 文件的根標(biāo)簽；
link 標(biāo)簽，用于描述機(jī)器人剛體部分的標(biāo)簽；
joint 標(biāo)簽，是用于連接不同剛體的“關(guān)節(jié)”。
除了 URDF 的使用語法之外，本節(jié)還會介紹一些常用的 urdf 工具，通過工具可以驗證 urdf 文件是否存在語法或邏輯異常。
6.4.1 URDF語法01_robot
1.簡介
urdf 中為了保證 xml 語法的完整性，使用了robot標(biāo)簽作為根標(biāo)簽，所有的 link 和 joint 以及其他標(biāo)簽都必須包含在 robot 標(biāo)簽內(nèi),在該標(biāo)簽內(nèi)可以通過 name 屬性設(shè)置機(jī)器人模型的名稱。
2.屬性
name：主文件必須具有名稱屬性， name 屬性在被包含的文件中是可選的。如果在被包含文件中指定了屬性名稱，則它必須具有與主文件中相同的值。
3.子標(biāo)簽
其他標(biāo)簽都是其子級標(biāo)簽。
4.示例
6.4.2 URDF語法02_link
1.簡介
urdf 中的 link 標(biāo)簽用于描述機(jī)器人某個部件(也即剛體部分)的外觀和物理屬性，比如: 機(jī)器人底座、輪子、激光雷達(dá)、攝像頭...每一個部件都對應(yīng)一個 link, 在 link 標(biāo)簽內(nèi)，可以設(shè)計該部件的形狀、尺寸、顏色、慣性矩陣、碰撞參數(shù)等一系列屬性。
2.屬性
name（必填）：為連桿命名。
3.子標(biāo)簽
<visual>（可選）：用于描述link的可視化屬性，可以設(shè)置link的形狀（立方體、球體、圓柱等）。
name（可選）：指定link名稱，此名稱會映射為同名坐標(biāo)系，還可以通過引用該值定位定位link。
<geometry>（必填）：用于設(shè)置link的形狀，比如：立方體、球體或圓柱。
<box>：立方體標(biāo)簽，通過size屬性設(shè)置立方體的邊長，原點為其幾何中心。
<cylinder>：圓柱標(biāo)簽，通過radius屬性設(shè)置圓柱半徑，通過length屬性設(shè)置圓柱高度，原點為其幾何中心。
<sphere>：球體標(biāo)簽，通過radius屬性設(shè)置球體半徑，原點為其幾何中心。
<mesh>：通過屬性filename引用“皮膚”文件，為link設(shè)置外觀，該文件必須是本地文件。使用 package://<packagename>/<path>為文件名添加前綴。
<origin>（可選）：用于設(shè)置link的相對偏移量以及旋轉(zhuǎn)角度，如未指定則使用默認(rèn)值（無偏移且無旋轉(zhuǎn)）。
xyz：表示x、y、z三個維度上的偏移量（以米為單位），不同數(shù)值之間使用空格分隔，如未指定則使用默認(rèn)值（三個維度無偏移）。
rpy：表示翻滾、俯仰與偏航的角度（以弧度為單位），不同數(shù)值之間使用空格分隔，如未指定則使用默認(rèn)值（三個維度無旋轉(zhuǎn)）。
<material>（可選）：視覺元素的材質(zhì)。也可以在根標(biāo)簽robot中定義material標(biāo)簽，然后，可以在link中按名稱進(jìn)行引用。
name（可選）：為material指定名稱，可以通過該值進(jìn)行引用。
<color>（可選）：rgba 材質(zhì)的顏色，由代表red/green/blue/alpha 的四個數(shù)字組成，每個數(shù)字的范圍為 [0,1]。
<texture>（可選）：材質(zhì)的紋理，可以由屬性filename設(shè)置。
<collision>（可選）：link的碰撞屬性?？梢耘clink的視覺屬性一致，也可以不同，比如：我們會通常使用更簡單的碰撞模型來減少計算時間，或者設(shè)置的值大于link的視覺屬性，以盡量避免碰撞。另外，同一鏈接可以存在多個 <collision>標(biāo)簽實例，多個幾何圖形組合表示link的碰撞屬性。
name（可選）：為collision設(shè)置名稱。
<geometry>（必須）：請參考visual標(biāo)簽的geometry使用規(guī)則。
<origin>（可選）：請參考visual標(biāo)簽的origin使用規(guī)則。
<inertial>（可選）：用于設(shè)置link的質(zhì)量、質(zhì)心位置和中心慣性特性，如果未指定，則默認(rèn)為質(zhì)量為0、慣性為0。
<origin>（可選）：該位姿（平移、旋轉(zhuǎn)）描述了鏈接的質(zhì)心框架 C 相對于鏈接框架 L 的位置和方向。
xyz：表示從 Lo（鏈接框架原點）到 Co（鏈接的質(zhì)心）的位置向量為 x L?x + y L?y + z L?z，其中 L?x、L?y、L?z 是鏈接框架 L 的正交單位向量。
rpy：將 C 的單位向量 ?x、?y、?z 相對于鏈接框架 L 的方向表示為以弧度為單位的歐拉旋轉(zhuǎn)序列 (r p y)。注意：?x、?y、?z 不需要與連桿的慣性主軸對齊。
<mass>（必填）：通過其value屬性設(shè)置link的質(zhì)量。
<inertia>（必填）：對于固定在質(zhì)心坐標(biāo)系 C 中的單位向量 ?x、?y、?z，該連桿的慣性矩 ixx、iyy、izz 以及關(guān)于 Co（連桿的質(zhì)心）的慣性 ixy、ixz、iyz 的乘積。
注意：<collision> 和 <inertial> 在仿真環(huán)境下才需要使用到，如果只是在 rviz2 中集成 urdf，那么不必須為 link 定義這兩個標(biāo)簽。
4.示例
1.需求
分別生成長方體、圓柱與球體的機(jī)器人部件。
2.實現(xiàn)
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄下，新建 urdf 文件 demo02_link.urdf，并編輯文件，輸入如下內(nèi)容：
6.4.3 URDF語法03_joint
1.簡介
urdf 中的 joint 標(biāo)簽用于描述機(jī)器人關(guān)節(jié)的運動學(xué)和動力學(xué)屬性，還可以指定關(guān)節(jié)運動的安全極限，機(jī)器人的兩個部件(分別稱之為 parent link 與 child link)以”關(guān)節(jié)“的形式相連接，不同的關(guān)節(jié)有不同的運動形式: 旋轉(zhuǎn)、滑動、固定、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度限制....,比如:安裝在底座上的輪子可以360度旋轉(zhuǎn)，而攝像頭則可能是完全固定在底座上。
2.屬性
name（必填）：為關(guān)節(jié)命名，名稱需要唯一。
type（必填）：設(shè)置關(guān)節(jié)類型，可用類型如下：
continuous：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以繞單軸無限旋轉(zhuǎn)。
revolute：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，類似于 continues，但是有旋轉(zhuǎn)角度限制。
prismatic：滑動關(guān)節(jié)，沿某一軸線移動的關(guān)節(jié)，有位置極限。
planer：平面關(guān)節(jié)，允許在平面正交方向上平移或旋轉(zhuǎn)。
floating：浮動關(guān)節(jié)，允許進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)運動。
fixed：固定關(guān)節(jié)，不允許運動的特殊關(guān)節(jié)。
3.子標(biāo)簽
<parent>（必填）：指定父級link。
link（必填）：父級link的名字，是這個link在機(jī)器人結(jié)構(gòu)樹中的名字。
<child>（必填）：指定子級link。
link（必填）：子級link的名字，是這個link在機(jī)器人結(jié)構(gòu)樹中的名字。
<origin>（可選）：這是從父link到子link的轉(zhuǎn)換，關(guān)節(jié)位于子link的原點。
xyz：各軸線上的偏移量。
rpy：各軸線上的偏移弧度。
<axis>（可選）：如不設(shè)置，默認(rèn)值為（1，0，0）。
xyz：用于設(shè)置圍繞哪個關(guān)節(jié)軸運動。
<calibration>（可選）：關(guān)節(jié)的參考位置，用于校準(zhǔn)關(guān)節(jié)的絕對位置。
rising（可選）：當(dāng)關(guān)節(jié)向正方向移動時，該參考位置將觸發(fā)上升沿。
falling（可選）：當(dāng)關(guān)節(jié)向正方向移動時，該參考位置將觸發(fā)下降沿。
<dynamics>（可選）：指定接頭物理特性的元素。這些值用于指定關(guān)節(jié)的建模屬性，對仿真較為有用。
damping（可選）：關(guān)節(jié)的物理阻尼值，默認(rèn)為0。
friction（可選）：關(guān)節(jié)的物理靜摩擦值，默認(rèn)為0。
<limit>（關(guān)節(jié)類型是revolute或prismatic時為必須的）：
lower（可選）：指定關(guān)節(jié)下限的屬性（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以弧度為單位，棱柱關(guān)節(jié)以米為單位）。如果關(guān)節(jié)是連續(xù)的，則省略。
upper（可選）：指定關(guān)節(jié)上限的屬性（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以弧度為單位，棱柱關(guān)節(jié)以米為單位）。如果關(guān)節(jié)是連續(xù)的，則省略。
effort（必填）：指定關(guān)節(jié)可受力的最大值。
velocity（必填）：用于設(shè)置最大關(guān)節(jié)速度（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以弧度每秒 [rad/s] 為單位，棱柱關(guān)節(jié)以米每秒 [m/s] 為單位）。
<mimic>（可選）：此標(biāo)簽用于指定定義的關(guān)節(jié)模仿另一個現(xiàn)有關(guān)節(jié)。該關(guān)節(jié)的值可以計算為value = multiplier * other_joint_value + offset。
joint（必填）：指定要模擬的關(guān)節(jié)的名稱。
multiplier（可選）：指定上述公式中的乘法因子。
offset（可選）：指定要在上述公式中添加的偏移量，默認(rèn)為 0（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的單位是弧度，棱柱關(guān)節(jié)的單位是米）。
<safety_controller>（可選）：安全控制器。
soft_lower_limit（可選）：指定安全控制器開始限制關(guān)節(jié)位置的下關(guān)節(jié)邊界，此限制需要大于joint下限。
soft_upper_limit（可選）：指定安全控制器開始限制關(guān)節(jié)位置的關(guān)節(jié)上邊界的屬性，此限制需要小于joint上限。
k_position（可選）：指定位置和速度限制之間的關(guān)系。
k_velocity（必填）：指定力和速度限制之間的關(guān)系。
4.示例
1.需求
創(chuàng)建機(jī)器人模型，底盤為長方體，在長方體的前面添加一攝像頭，攝像頭可以沿著 Z 軸 360 度旋轉(zhuǎn)。
2.實現(xiàn)
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄下，新建 urdf 文件 demo03_joint.urdf，并編輯文件，輸入如下內(nèi)容：
執(zhí)行指令后，會彈出一個新的窗口，在該窗口中有一個”進(jìn)度條“，通過拖拽進(jìn)度條可以控制相機(jī)旋轉(zhuǎn)。
5.使用base_footprint優(yōu)化urdf
1.需求
前面實現(xiàn)的機(jī)器人模型是半沉到地下的，因為默認(rèn)情況下: 底盤的中心點位于地圖原點上，所以會導(dǎo)致這種情況產(chǎn)生，可以使用的優(yōu)化策略，將初始 link 設(shè)置為一個尺寸極小的 link(比如半徑為 0.001m 的球體，或邊長為 0.001m 的立方體)，然后再在初始 link 上添加底盤等剛體，這樣實現(xiàn)，雖然仍然存在初始link半沉的現(xiàn)象，但是基本可以忽略了，這個初始 link 一般稱之為 base_footprint。
2.實現(xiàn)
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄下，新建 urdf 文件 demo04_basefootprint.urdf，并編輯文件，輸入如下內(nèi)容：
編譯后，工作空間終端下調(diào)用如下命令執(zhí)行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo04_basefootprint.urdf
執(zhí)行指令后，在 rviz2 將Fixed Frame設(shè)置為base_footprint，機(jī)器人模型將正常顯示在”地面“上。
6.4.4 URDF練習(xí)
1.需求
創(chuàng)建一個四輪機(jī)器人模型，機(jī)器人參數(shù)如下：底盤為長方體狀，長20cm寬12cm高7cm，車輪半徑為2.5cm，車輪厚度為2cm，底盤離地間距為 1.5cm。
2.實現(xiàn)
功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄下，新建 urdf 文件 demo05_exercise.urdf，并編輯文件，輸入如下內(nèi)容：
編譯后，工作空間終端下調(diào)用如下命令執(zhí)行：
ros2 launch cpp06_urdf display.launch.py model:=`ros2 pkg prefix --share cpp06_urdf`/urdf/urdf/demo05_exercise.urdf
命令執(zhí)行后，rviz2 中可以顯示與需求類似的機(jī)器人模型。
6.4.5 URDF工具
在 ROS2 中，提供了一些URDF文件相關(guān)的工具，比如:
check_urdf命令可以檢查復(fù)雜的 urdf 文件是否存在語法問題；
urdf_to_graphviz命令可以查看 urdf 模型結(jié)構(gòu)，顯示不同 link 的層級關(guān)系。
當(dāng)然，要使用工具之前，請先安裝，安裝命令：sudo apt install liburdfdom-tools。
1.check_urdf 語法檢查
進(jìn)入urdf文件所屬目錄，調(diào)用：check_urdf urdf文件，如果不拋出異常，說明文件合法，否則非法。
示例，終端下進(jìn)入功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄，執(zhí)行如下命令：
check_urdf demo05_exercise.urdf
urdf 文件如無異常，將顯示urdf中l(wèi)ink的層級關(guān)系，如下圖所示：
否則將會給出錯誤提示。
2.urdf_to_graphviz 結(jié)構(gòu)查看
進(jìn)入urdf文件所屬目錄，調(diào)用:urdf_to_graphviz urdf文件，當(dāng)前目錄下會生成 pdf 文件。
示例，終端下進(jìn)入功能包 cpp06_urdf 的 urdf/urdf 目錄，執(zhí)行如下命令：
urdf_to_graphviz demo05_exercise.urdf
當(dāng)前目錄下，將生成以urdf中robot名稱命名的.pdf和.gv文件，打開pdf文件會顯示如下圖內(nèi)容：
在上圖中會以樹形結(jié)構(gòu)顯示link與joint的關(guān)系。
注意：該工具以前名為urdf_to_graphiz現(xiàn)建議使用urdf_to_graphviz替代。
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